陶瓷纤维和涂层 21世纪先进材料
作者：美国高温陶瓷基复合材料先进纤维委员会等著；陈照峰译
出版时间：2018年版
内容简介
《陶瓷纤维和涂层：21世纪先进材料》为20世纪末由美国高温陶瓷复合材料先进纤维委员会等机构组织编写，《陶瓷纤维和涂层：21世纪先进材料》共8章，内容包括碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、陶瓷基复合材料及其制备技术，纤维、界面、复合材料微观结构，纤维及复合材料制造成本及评价，陶瓷基复合材料的设计与寿命、应用与需求，氧化物纤维与非氧化物纤维随温度和时间微观结构与性能的演化规律，纤维、复合材料未来的发展方向等。
内页插图
目录
目录
执行摘要 1
方法 2
高温陶瓷纤维 3
纤维涂层 4
建议和影响 5
讨论的重点 7
1 绪论 8
方法 8
陶瓷基复合材料潜在的应用 9
复合材料 9
陶瓷纤维及其涂层 13
工程要求 16
本书内容结构 17
2 现在和将来的需求 18
新材料应用 20
陶瓷基复合材料的设计和寿命预测 22
陶瓷基复合材料的应用和需求 23
制造的要求 27
对纤维性能的影响 27
3 陶瓷纤维性能现状 31
候选纤维 31
非氧化物纤维的温度和时效性能 37
温度和时间对氧化物纤维性能的影响 50
性能特征与目标性能的比较 56
建议及未来的发展方向 57
4 陶瓷纤维制备 59
非氧化物纤维制备 59
氧化物纤维制备 64
建议及发展方向 73
5 材料与微观结构 75
纤维发展的机会 75
多晶氧化物 78
多晶碳化硅 80
非晶纤维 80
建议与将来的方向 81
6 界面涂层 83
非氧化物复合材料的涂层 83
氧化物纤维涂层 96
建议和将来的方向 110
7 成本问题 115
价格和成本 115
成本类型 116
一般纤维生产成本 118
陶瓷纤维的制造 120
氧化物和非氧化物 121
发现 121
结论 124
建议和未来发展方向 125
8 建议及未来发展方向 127
工程数据 127
纤维涂层 128
氧化物纤维研究 129
非氧化物纤维开发 130
制造成本 131
优先级 132
参考文献 133
委员会组织机构 143
图表资料目录
表格
表ES-1 陶瓷纤维的典型性能范围 3
表2-1 陶瓷基复合材料的优缺点 19
表2-2 工业发电的应用 23
表2-3 航空应用 26
表2-4 航天应用（美国） 26
表2-5 陶瓷基复合材料的生产环境 27
表3-1 用于CMC 的商用纤维和开发性纤维 32
表3-2 选择的商用陶瓷纤维 35
表4-1 商业聚合物前驱体法陶瓷纤维生产工艺 62
表4-2 商业氧化物纤维成分及前驱体 68
图片
图1-1 连续纤维增强陶瓷基复合材料的理想应力-应变曲线与未增强的基体的应力-应变曲线对比图 10
图1-2 连续增强陶瓷基复合材料示意图 11
图1-3 Hi-NicalonTM 纤维增强SiC 基复合材料（CVI 法制备）断裂表面扫描电镜图 11
图1-4 一种燃气轮机燃烧室的喉衬（里面和外面） 12
图1-5 八枚缎纹布 14
图1-6 有氮化硼涂层的纤维丝 14
图1-7 3M 公司的Nextel 610 多晶陶瓷氧化物纤维 15
图2-1 通用电气公司的一种大型燃气轮机加热部分横截面图 19
图2-2 各类高温应用中的热性能要求 24
图2-3 3M 公司203 型Nextel 纤维增强SiC 基陶瓷复合材料滤棒 25
图3-1 SiC 基纤维和氧化物纤维强度-温度图 38
图3-2 （a）SiC 基纤维的杨氏模量与温度关系图；（b）氧化物纤维的杨氏模量与温度关系图 38
图3-3 不同SiC 纤维的拉伸强度与温度关系图 39
图3-4 硅基化合物和Al2O3 基商用纤维快速断裂强度与温度关系 39
图3-5 商用Si 基和Al2O3 基纤维在短期（1～10h）高温暴露后的室温残余强度 40
图3-6 氩气中热处理1h 后SiC 纤维的拉伸强度 41
图3-7 氩气中高温暴露10h 后SiC 纤维的室温拉伸强度 41
图3-8 氩气中1550℃（2822℉）老化10h 后，SiC 纤维拉伸强度 42
图3-9 干燥空气中1400℃（2552℉）暴露10h 后SiC 纤维的拉伸强度 42
图3-10 空气中1000℃（1832℉）热处理后SiC 纤维的拉伸强度 43
图3-11 SiBN3C 表面上形成的氧化扩散阻挡层的结构 44
图3-12 Si-C-O 纤维热处理后温度与电导率的关系 44
图3-13 在Si-C 纤维中C/Si 摩尔比与电阻率的关系 45
图3-14 聚合物衍生的SiC 纤维和其他多晶SiC 纤维与Al2O3 纤维1h 弯曲应力释放率 46
图3-15 空气中（白色图标）和氩气中（黑色图标）1200℃（2192℉）（三角形图标）和1400℃（2552℉）（方形图标）下的SiC 纤维断裂强度 48
图3-16 空气中Hi-Nicalon 快速断裂和断裂强度热活化图 49
图3-17 处理前SiC 纤维的平均强度热活化图 49
图3-18 Nextel 610 和 Nextel 720 纤维单丝[热标距=25mm（1in），总标距=220mm（8.8in）]测试温度与拉伸强度关系 51
图3-19 多晶Al2O3 基氧化物纤维在空气中1090℃（1994℉）时的典型蠕变曲线 52
图3-20 Nextel 720 蠕变速率与其他商用氧化物纤维比较曲线 53
图3-21 通过限边薄膜生长法（EFG）生成的定向凝固的共晶YAG/氧化铝纤维、多晶氧化铝基纤维和c 轴蓝宝石纤维的1h 弯曲应力松弛率曲线 53
图3-22 Nextel 610 纤维应力断裂 54
图3-23 多晶和单丝Al2O3 基纤维100h 的断裂强度 55
图3-24 标距～25mm（1in）时已生产Al2O3 基纤维的平均强度热活化图 55
图3-25 Al2O3 纤维增强CMC 和先进超合金强度性能比较 57
图4-1 聚合物前驱体法生产陶瓷纤维典型工艺流程 61
图4-2 热解工艺曲线 63
图4-3 氧化物陶瓷纤维化学生产流程 66
图4-4 干法纺丝工艺图 69
图4-5 氧化铝纤维DTA、DTGA、TGA 曲线 70
图4-6 低的形核率导致产生大α-Al2O3 晶粒 72
图4-7 Nextel 610 纤维由于使用了结核剂，晶粒尺寸很小 72
图5-1 使用二维模型预测氧化铝纤维的蠕变速率与纵横比的函数关系 76
图5-2 含体积分数5%的0.15μm（0.006mil）SiC 颗粒的Al2O3-SiC 纳米复合材料和相同晶粒尺寸的未掺杂的Al2O3 的拉伸蠕变率 77
图5-3 未掺杂氧化铝和1000ppm Y2O3 掺杂的氧化铝的稳态蠕变率 77
图5-4 高倍二次离子质谱分析图像显示钇和镧掺杂的氧化铝中出现掺杂物偏析 78
图6-1 CVI 法制造的Nicalon 纤维增强SiC 基复合材料的拉伸试验结果 85
图6-2 沿纤维末端暴露的单轴SiC/C/SiC 复合材料的纤维-涂层-基体界面的氧化过程的示意图 85
图6-3 纤维末端暴露的单轴SiC/C/SiC 复合材料的纤维涂层的氧化深度 86
图6-4 熔融渗透法制备的Hi-Nicalon 纤维增强SiC-Si 基复合材料拉伸试验结果为4:2 和4:4 纤维铺层的结果，分别表示0°和90°方向的层数 87
图6-5 具有BN 涂层的热压Nicalon 纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的拉伸试验结果 88
图6-6 熔融渗透方法制造的Hi-Nicalon 纤维增强SiC-Si 基复合材料的涂层氧化深度 89
图6-7 具有BN纤维涂层的热压SiC 纤维增强玻璃陶瓷基复合材料高温大气中[1200℃（2192℉），69MPa（10ksi），11725h]经拉伸应力断裂实验后的截面抛光照片 90
图6-8 连续纤维增强陶瓷复合材料暴露在高于基体开裂强度的应力下的基体裂纹的示意图 92
图6-9 图6-8 中椭圆区域中的裂纹-基体-纤维涂层区域的氧化进程示意图 93
图6-10 由铝溶胶和Darvan C 混合物沉积制备的多孔氧化铝纤维涂层 97
图6-11 热环境对0°/90°方向的全氧化物复合材料应力-应变行为的影响 99
图6-12 Nextel 720 纤维增强铝硅酸钙玻璃陶瓷基复合材料在碳界面层氧化之后残余模量及基体到纤维的载荷传递 100
图6-13 六方β-Al2O3 和磁铁铅矿结构在每种结构下面是沿c 轴方向的镜面对称旋转 102
图6-14 裂纹沿粗糙的黑铝钙石界面的基本晶面扩展的透射电镜照片 104
图6-15 裂纹沿氧化铝-独居石界面偏转的扫描电镜照片 105
图6-16 沿白钨矿-Nextel 610 界面脱黏的扫描电镜和投射电镜照片 107
图6-17 不融合液相涂层技术的示意图 108
图6-18 不混液相技术沉积氧化物纤维涂层的实例 109
图6-19 由杂凝聚技术在Nextel 720 纤维上沉积而成的LaPO4 涂层 110
图7-1 制造成本的影响因素 116
图7-2 纤维额外费用 119
图7-3 纤维经济指标与年产量的关系 122
资料
资料1-1 有损伤容限的陶瓷基复合材料 10
资料2-1 CMC 应用实例 19
