连续碳化硅纤维（SiC fiber）及其增强的陶瓷基复合材料（CMC），凭借其卓越的耐高温、抗氧化以及力学性能，在航空航天、核工业等极端环境领域中展现出了极为广阔的应用前景。然而，SiC纤维在高温环境下面临着一个严峻挑战：纤维中的SiCxOy无定形相在高温下会发生剧烈分解，并伴随着大量气体的释放，这一过程严重破坏了纤维的微观结构，导致力学性能显著降低，从而限制了SiC纤维的耐高温性能。当前，高性能SiC纤维研究的主流方向聚焦于降低纤维中的氧含量，以实现Si与C的近化学计量比。这一策略旨在从源头上减少或消除那些在高温下易于分解的SiCxOy无定形相，从而大幅度提升纤维的热稳定性与力学性能。然而，在工业生产中降低SiC纤维氧含量仍面临诸多复杂的工艺挑战。本研究另辟蹊径，提出了一种通过石墨烯稳定SiCxOy非晶相的新策略，为提升SiC纤维耐高温性能提供了一种新思路。
近日，国防科技大学陶瓷纤维团队在期刊《Carbon》上，发表了最新研究成果“Embedding thermostable rGO/SiCxOy composite phase in SiC fibers for improved high temperature resistance”。国防科技大学为唯一署名单位，论文第一作者为空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料（CFC）实验室博士生刘涛，通讯作者为王应德教授、韩成副研究员。研究者通过先驱体转化法将高热稳定的还原氧化石墨烯/硅碳氧（rGO/SiCxOy）复合相均匀嵌入SiC纤维中，制备了含氧的耐高温rGO/SiC复合纤维，rGO的引入协同提高了SiC纤维的力学性能和耐高温性能，为制备低成本、高性能SiC纤维提供了新的可行方案。
图1：rGO/SiC复合纤维的制备流程示意图。
相比于未添加rGO的SiC纤维，0.5%-rGO/SiC和1%-rGO/SiC复合纤维的强度的拉伸强度分别提高了40%和21%（图2）。优异的力学性能归因于在纤维制备过程中v-GO/PCS杂化先驱体重排形成了rGO/SiCxOy复合相减少了有机-无机转化过程中气孔的生成，同时经过熔融纺丝rGO在纤维内部沿纤维轴向排列诱导了气孔进一步取向（图3）。此外，在高温热处理时复合纤维中rGO/SiCxOy复合相保持着相对稳定性（图4）。随着rGO含量增加，氩气氛下热处理时复合纤维发生的主动氧化现象得到明显抑制，1%-rGO/SiC复合纤维在经过1600℃热处理后仍保持光滑致密的结构（图5），并且在1700℃热处理后未发生粉化。因此，采用rGO稳定SiC纤维中的SiCxOy无定形相可以提升高氧含量SiC纤维的耐高温性能，从而有望减少高性能SiC纤维的制备成本。
图2：不同温度热处理后rGO/SiC复合纤维的力学性能变化。
图3：rGO/SiC复合纤维制备过程中孔隙变化。
图4：rGO/SiC复合纤维耐高温机理示意图。
图5：1600℃热处理前后rGO/SiC复合纤维的SEM图。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119858
人物简介：
王应德，国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室教授、博士生导师，加拿大不列颠哥伦比亚大学（UBC）访问教授（2009.9-2010.9）。现任（或曾任）国家国防科工局空间碎片防护专业技术组成员，中国空间科学学会理事、空间材料专业委员会副主任委员，中国机械工程学会工程陶瓷理事会副理事长，《无机材料学报》和《功能材料》杂志编委。主持包括国家自然科学基金、“863”、基础加强计划重点基础研究、国防基础科研、武器装备预研和空间碎片专项等国家级项目在内的科研项目30余项。获国家科技进步二等奖1项，军队及部委级科技进步一等奖3项，获湖南省首届优秀研究生导师奖。在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、J. Adv. Cream.等期刊发表SCI论文203篇，他引>4700次，H因子36，获国家发明专利20余项。
韩成，国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室副研究员，硕士生导师，入选中国科协青年人才托举工程，中国复合材料学会热防护复合材料分会委员。长期从事高性能陶瓷纤维与先驱体研究，主持国家自然科学基金、装备预研和型号配套等项目10余项，参与关键材料进口替代专项、基础加强计划重点研究等项目，发表SCI论文50篇，他引>1800次，H因子23。以第一或通讯作者在Nano Research（Top Papers Award）、Carbon、J. Am. Ceram. Soc.、J. Eur. Ceram. Soc.等期刊发表SCI论文18篇，单篇最高被引>500次（ESI前1%高被引），申请国家发明专利20余项（授权10项）。
