随着科学技术的高速发展，航空航天、国防、能源等领域对材料的强度、模量、耐高温、抗氧化等性能的要求也越来越高。然而，由于性能受限，普通材料已很难满足高端领域的应用需求，陶瓷纤维增强被证明是改善材料性能的一条有效途径。

陶瓷纤维

陶瓷纤维按照化学组成可分为两大类，一为氧化物陶瓷纤维；二为非氧化物陶瓷纤维。二者对比下，非氧化物陶瓷纤维具有高强度、高模量、耐高温、抗蠕变、抗烧蚀、抗氧化、透波、吸波等独特优势等独特优势。这些特性使非氧化物陶瓷纤维在需要极端性能的应用领域，如航空航天、核能、汽车工程、半导体制造等领域得到广泛应用。随着技术的不断发展，这些纤维的应用领域还将不断扩展，包括新能源技术、高温热电材料等。

非氧化物陶瓷纤维概述

非氧化物陶瓷纤维一般由硼(B)、碳(C)、氮(N)、铝(m)、硅(si)等轻元素构成，是一种性能优异的增强体和承载体。将纤维以一定方式加入到基体材料中，引入不同的吸能机制，既可以依靠高强度纤维来分担外加载荷，又可利用纤维与基体材料的弱界面结合来吸收外来能量，从而达到提升基体材料性能的目的。

但不同组分的非氧化物纤维在应用及研究方向上各有区别，以下是常见几类非氧化物陶瓷纤维的概述。

①碳化物陶瓷纤维

碳化物陶瓷纤维通常由碳化硅(SiC)或碳化硼(B₄C)等碳化物材料制成，具有出色的高温稳定性、高强度、高模量、耐腐蚀性和耐磨性，因此在高温、高压、腐蚀性环境以及一些先进工程应用中具有广泛的潜在应用价值。另外像锆(Zr)、钛(Ti)、Al、B元素的引入还可改善碳化硅(SC)纤维性能，而碳化锆(ZrC)和硼化锆(ZrB₂)具有高熔点、高硬度及高模量等优良特性。因此，将ZrC和ZrB₂引入SiC纤维是一个不错的选择。

碳化硅纤维

目前，国外碳化物陶瓷纤维研究已取得巨大的成功，实现了工业化生产，从事研发的公司有日本碳素公司、日本东燃化学株式会社、德国弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所、日本宇部兴产公司、美国道康宁公司、美国明尼苏达矿业及机器制造公司、美国沃顿化工有限公司等。尤其值得关注的是，美国通用电气（GE）将在最新型引擎上采用日本厂商制造的重量轻、且具备高耐热性的碳化硅（SiC）纤维，企图通过飞机的轻量化来改善燃效。

使用SiC纤维的陶瓷复合材料零部件

②氮化物陶瓷纤维

氮化物陶瓷纤维是一种高性能纤维材料，通常由氮化硼（BN）或氮化硅（Si3N4）等氮化物陶瓷材料制成。氮化物陶瓷纤维大都采用前驱体转化法制备，与碳纤维、碳化硅(SiC)纤维的制备过程相似，因而在组成结构和性能上具有良好的可设计性和可调控性，拥有巨大的发展潜力。

氮化硼连续纤维

根据研究，作为陶瓷基复合材料的增强纤维，氮化物陶瓷纤维除了具有与碳纤维、氧化铝纤维等类似的增韧作用，同时还具有组成结构与介电性能的可调控特性，是耐高温、承载、电磁功能一体化的关键原材料。Si₃N₄陶瓷纤维很早就有研究报道，三元和四元氮化物陶瓷纤维也陆续被国内外实验室研制出来，但是其制备技术和应用技术的发展明显慢于碳化物和氧化物连续纤维。

目前，关于连续陶瓷纤维的综述还很少，国内氮化物陶瓷纤维的发展也稍晚于国外，但是基础研究发展很快，代表单位有厦门大学和国防科技大学等，基本形成了与美、日、德、法并跑的科研格局。

③硼化物陶瓷纤维

ZrB₂和硼化钛(TiB₂)不仅熔点高（3000°C以上），还具有较低密度、高硬度、高模量、高热导率、高电导率及良好的化学稳定性，在超高温材料中拥有广阔的应用前景。但同时也存在烧结性差，以及断裂韧性偏低的不足，而采用先进的烧结技术（热压、闪电烧结和火花等离子体烧结）能够有效解决以上问题。

④其他陶瓷纤维

除以上主要的3类陶瓷纤维外，非氧化物陶瓷纤维还包括碳氮化物三元陶瓷及硅硼碳氮(siBCN)等多元陶瓷体系。

如LONG X等以低相对分子质量聚硼硅氮烷与二氯二茂锆为原料，通过熔融纺丝法获得原纤，在90℃的BCl₃/N₂气体中固化1h，再经1400℃的氩气加热1h，最终获得直径为50μm的SiBNC-Zr陶瓷纳米复合材料纤维。结果表明Zr元素的引入，有效地提高了SiBNC-Zr陶瓷纤维的抗氧化性。YUMH等以廉价市售的正丙胺、HSiCl₃和BCl₃为原料，在N₂氛围中利用熔融纺丝法，最终得到了直径为19μm的SiBNC陶瓷纤维，其平均抗拉强度为1.05GPa，且在1600℃时仍保持无定形状态。

结语

目前，非氧化物陶瓷纤维的研究虽然取得了一定的进展，其中碳化物非氧化陶瓷纤维的研究和应用已比较成熟，部分也已有商业化应用；氮化物陶瓷纤维相关研究与应用较少，制备工艺条件苛刻、难控制，因此优化制备技术和研发工艺装备将是一条可行的路径；硼化物陶瓷纤维存在烧结性差、断裂韧性偏低的不足，研发先进的烧结技术是发展的方向。

而我国目前已经发展了多种非氧化物陶瓷纤维的制备工艺，但流程过于繁杂，且成品纤维性能不够理想，因此如何实现综合性能优良的非氧化物陶瓷纤维的大规模、低成本的工业化制备将会是该领域的主要挑战。

资料来源：

赵来江,胡锦健,代鑫,等. 非氧化物陶瓷纤维的研究进展[J]. 合成纤维工业,2023,46(2):62-66. DOI:10.3969/j.issn.1001-0041.2023.02.013.

邵长伟,龙鑫,张帅,等. 氮化物陶瓷纤维的制备、结构与性能[J]. 航空制造技术,2020,63(15):90-101. DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2020.15.090.

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