Волокна карбида кремния и нитевидные кристаллы для композиционных материалов с керамической матрицей (обзор)

Одной из основных задач, решаемых в процессе создания перспективных образцов авиационной и ракетно-космической техники в целях повышения их технических характеристик, является увеличение диапазона температур эксплуатации элементов конструкций и узлов летательных аппаратов (ЛА). Наиболее теплонагруженные конструкции ЛА, такие как камера сгорания, сегменты турбины высокого давления, створки сопла с управляемым вектором тяги, должны обладать длительным ресурсом работы в условиях воздействия высоких температур, окислительной среды, продуктов сгорания топлива, переменных механических и тепловых нагрузок. В то же время современные жаропрочные сплавы на основе Ti и Ni достигли предела своих рабочих температур. В связи с этим ведущие мировые производители ЛА — General Electric (США), Rolls-Royce High Temperature Composite Inc. (США), Snecma Propulsion Solide (Франция) — активно проводят фундаментальные исследования по созданию керамических материалов, выдерживающих высокие (1300 – 1600 °C) и сверхвысокие (2000 – 2500 °C) рабочие температуры. Однако керамические материалы имеют ряд недостатков, обусловленных высокой хрупкостью и низкой трещиностойкостью монолитной керамики. Кроме того, из керамики проблематично изготавливать детали больших габаритов и сложной конфигурации. В настоящее время для рабочих температур выше 1200 °C перспективными являются керамические композиционные материалы с высокотемпературной матрицей, например, на основе ZrC – SiC, и армирующим наполнителем — неорганическим волокном, например карбидокремниевым. Изделия, изготовленные из таких материалов, обладают повышенной энергоэффективностью. Керамические волокна на основе соединений кремния имеют хорошие механические свойства: предел прочности при растяжении — более 2 ГПа; модуль упругости — более 200 ГПа; термическую стойкость при температурах выше 800 °C. Поэтому данные керамические волокна — неотъемлемый армирующий компонент в металлических и керамических композиционных материалах. В данном обзоре рассмотрены керновые волокна карбида кремния, полученные методом химического осаждения карбида кремния из газовой фазы на вольфрамовый или углеродный керн. Такая технология позволяет получать волокна диаметром 100 – 150 мкм для их применения в составе композитов с металлической матрицей. Также рассмотрены бескерновые SiC-волокна, диаметр которых составляет 10 – 20 мкм, полученные путем формования из расплава полимерного прекурсора и использующиеся преимущественно для керамических композитов. Приведен сравнительный анализ фазового состава, физико-механических свойств и термоокислительной стойкости волокон, полученных разными способами. В качестве армирующих наполнителей для композиционных материалов описаны также нитевидные кристаллы («усы»), приведены способы их получения и свойства. Показаны перспективы применения различных волокон и нитевидных кристаллов в качестве армирующих наполнителей для композитов.

1. Shestakov A. M. Inorganic fibers for ceramic matrix composites (review) / Khim. Volokna. 2020. N 1. P. 16 – 26 [in Russian].

2. Kablov E. N. Composites: today and tomorrow / Metally Evrazii. 2015. N 1. P. 36 – 39 [in Russian].

3. Grashchenkov D. V. Development strategy of non-metallic materials, metallic composite materials and thermal protection / Aviats. Mater. Tekhnol. 2017. N S. P. 264 – 271 [in Russian]. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-264-271

4. Grashchenkov D. V., Evdokimov S. A., Zhestkov B. E., Solntsev S. St., Shtapov V. V. Investigation of the thermochemical effect of an air plasma flow on a high-temperature ceramic composite material / Aviats. Mater. Tekhnol. 2017. N 2(47). P. 31 – 40 [in Russian]. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-2-31-40

5. Kablov E. N., Nikiforov A. A., Demin S. A., Chesnokov D. V., Vinogradov S. S. Promising coatings for corrosion protection of carbon steels / Stali. 2016. N 6. P. 70 – 81 [in Russian].

6. Grashchenkov D. V., Efimochkin I. Yu., Bolshakova A. N. High-temperature metal-matrix composite materials reinforced with particles and fibers of refractory compounds / Aviats. Mater. Tekhnol. 2017. N S. P. 318 – 328 [in Russian]. DOI: 10.18577/2071-9240-2017-0-S-318-328

7. Sorokin O. Yu. On the question of the mechanism of interaction of carbon materials with silicon (review) / Aviats. Mater. Tekhnol. 2015. N 1(34). P. 65 – 70 [in Russian]. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-65-70

8. Kablov E. N., Grashchenkov D. V., Isaeva N. V., Solntsev S. S., Sevastianov V. G. High-temperature structural composite materials based on glass and ceramics for advanced aircraft products / Steklo Keram. 2012. N 4. P. 7 – 11 [in Russian].

9. Sorokin O. Yu., Grashchenkov D. V., Solntsev S. St., Evdokimov S. A. Ceramic composite materials with high oxidation resistance for advanced aircraft (review) / Tr. VIAM. Élektron. Nauch.-Tekhn. Zh. 2014. N 6. Publ. 08. http://www.viam- works.ru (accessed 24.01.2020) [in Russian]. DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-6-8-8

10. Minakov V. T., Solntsev S. S. Ceramic-matrix composites / Vse Mater. Éntsikloped. Sprav. 2007. N 2. P. 5 – 9 [in Russian].

11. Kablov E. N., Grashchenkov D. V., Isaeva N. V., Solntsev S. St. Promising high-temperature ceramic composite materials / Ross. Khim. Zh. 2010. Vol. LIV. N 1. P. 20 – 24 [in Russian].

12. Grashchenkov D. V., Gunyaev G. M., Minakov V. T., Sorina T. G. SiC-SiC composites reinforced with whiskers / Vse Mater. Éntsikloped. Sprav. 2012. N 5. P. 43 – 48 [in Russian].

13. Kablov E. N. Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC RF for the implementation of «Strategic directions for the development of materials and technologies for their processing for the period up to 2030» / Aviats. Mater. Tekhnol. 2015. N 1(34). P. 3 – 33 [in Russian]. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33

14. Cooke Th. F. Inorganic Fibers — A Literature Review / J. Am. Ceram. Soc. 1991. Vol. 74. N 12. P. 2959 – 2978.

15. Carlsonn J. O. Silicon Carbide Fibers / Encyclopedia of Material Science and Engineering. Edited by M. B. Bever. — Oxford, UK: Pergamon Press, 1986. P. 4406 – 4408.

16. Martineau P., Lahaye M., Pailler R., Naslan R., Couzi M., Cruege F. SiC Filament/Titanium Matrix Composites Regarded as Model Composites. Part 1. Filament Microanalysis and Strength Characterization / J. Mater. Sci. 1984. Vol. 19. N 8. P. 2731 – 2748.

17. Bunsell A. R., Berger M.-H. Ceramic fibres / High-performance fibres. Edited by J. W. S. Hearle. — Woodhead Publishing, 2001. P. 239 – 258.

18. Cheng T. T., Jones I. P., Shatwell R. A., Doorbar P. The microstructure of sigma 1140+ SiC fibres / Mater. Sci. Eng. A. 1999. Vol. 260. N 1 – 2. P. 139 – 145.

19. Guo C., Zhang C., He L., Jin B., Shi N. Microstructure characterization of long W core SiC fiber / J. Mater. Sci. Technol. 2007. Vol. 23. N 5. P. 677 – 684.

20. Toplišek T., Gec M., Iveković A., Novak S., Kobe S., Dražić G. Analytical Electron Microscopy of W-Core β-SiC Fibers for Use in an SiC-Based Composite Material for Fusion Applications / Microsc. Microanal. 2013. Vol. 19. N 5. P. 136 – 139.

21. Zhang R.-J., Yang Y.-Q., Shen W.-T., Wang C., Luo X. Microstructure of SiC fiber fabricated by two-stage chemical vapor deposition on tungsten filament / J. Crystal Growth. 2010. Vol. 313. P. 56 – 61.

22. Sone H., Kaneko T., Miyakawa N. In situ measurements and growth kinetics of silicon carbide chemical vapor deposition from methyltrichlorosilane / J. Crystal Growth. 2000. Vol. 219. P. 245 – 252.

23. Noeth A. Fabrication of large diameter SiC monofilaments by polymer route / J. Eur. Ceram. Soc. 2014. Vol. 34. N 6. P. 1487 – 1492.

24. DiCarlo J. A., Yun H.-M. Non-oxide (silicon carbide) fibers / Handbook of Ceramic Composites. Edited by N. P. Bansal. — Kluwer Acad. Publishers, 2005. P. 33 – 52.

25. Nutt S. R., Wawner F. E. Silicon carbide filaments: Microstructure / J. Mater. Sci. 1985. Vol. 20. N 6. P. 1953 – 1960.

26. Christin F., Naslain R., Bernard C. A Thermodynamic and Experimental Approach of Silicon Carbide-CVD Application to the CVD-infiltration of Porous Carbon-Carbon Composites / Proc. of the 7th Int. Conf. on CVD. Edited by T. O. Sedgwick, H. Lydtin. — Princeton: The Electrochemical Society, 1979. P. 499 – 514.

27. Ning X. J., Pirouz P. The microstructure of SCS – 6 SiC fiber / J. Mater. Res. 1991. Vol. 6. N 10. P. 2234 – 2248.

28. DiCarlo J. A. Creep of Chemically Vapor Deposited SIC Fibres / J. Mater. Sci. 1986. Vol. 21. N 1. P. 217 – 224.

29. Flores O., Bordia R. K., Nestler D., Krenkel W., Motz G. Ceramic Fibers Based on SiC and SiCN Systems: Current Research, Development, and Commercial Status / Adv. Eng. Mater. 2014. Vol. 16. N 6. P. 621 – 636.

30. Lütjering G., Williams J. C. Titanium Matrix Composites / Titanium. — Springer, 2007. P. 367 – 382.

31. Miracle D. B., Donaldson S. L. Introduction to Composites / ASM Handbook. Vol. 21. Composites. — ASM International, 2001. P. 1 – 18.

32. Sidorov D. V., Shcherbakova G. I. High-tech components of composite materials and special fibers for a wide range of applications / Khim. Tekhnol. 2016. Vol. 17. N 4. P. 183 – 192 [in Russian].

33. Lackey W. J., Hanigofsky J. A., Freeman G. B., Hardin R. D., Prasad A. Continuous fabrication of silicon carbide fiber tows by chemical vapor deposition / J. Am. Ceram. Soc. 1995. Vol. 78. N 6. P. 1564 – 1570.

34. Lackey W. J., Vaidyaraman S., Beckloff B. N., Moss T. S., Lewis J. S. Mass transfer and kinetics of the chemical vapor deposition of SiC onto fibers / J. Mater. Res. 1998. Vol. 13. N 8. P. 2251 – 2261.

35. Huang H., Chen D., Li Z., Huang X. Study on the influence of reaction temperature on the preparation of C-core SiC filaments / Proc. Eng. 2012. Vol. 27. P. 1347 – 1353.

36. Féron O., Chollon G., Dartigues F., Langlais F., Naslain R. In situ kinetic analysis of SiC filaments CVD / Diamond Rel. Mater. 2002. Vol. 11. N 3 – 6. P. 1234 – 1238.

37. McHugh K. M., Garnier J. E., Griffith G. W. Synthesis and analysis of alpha silicon carbide components for encapsulation of fuel rods and pellets / Proc. of the ASME 2011 Small Modular Reactors Symposium. 2011. P. 165 – 169.

38. US Pat. N 20,120,088. Garnier J. E., Griffith G. W. Methods of producing silicon carbide fibers, silicon carbide fibers, and articles including same. 04.12.2012.

39. Mun S. Y., Lim H. M., Lee D. J. Preparation and thermal properties of polyacrylonitrile-based carbon fiber — silicon carbide core — shell hybrid / Thermochim. Acta. 2015. Vol. 600. P. 62 – 66.

40. US Pat. N 3,246,950. Gruber B. A. Method for Preparing Fibrous Silicon Carbide. 04.1966.

41. Chou C. C., Ko Y. C. Formation and Structure of SiC Whiskers from Metallic Silicon and Coal Tar Pitch in Refractories During Sintering / J. Mater. Sci. Lett. 1986. Vol. 5. N 2. P. 209 – 213.

42. US Pat. N 3,754,076. Cutler B. I. Production of Silicon Carbide from Rice Hulls, 08.1973.

43. Ryan C. E., Berman I., Marshall R. C., Considine D. P., Hawley J. J. Vapor-Liquid-Solid and Melt Growth of Silicon Carbide / J. Crystal Growth. 1967. Vol. 1. N 5. P. 255 – 262.

44. Parratt N. J. Fiber-Reinforced Materials Technology. — London, UK: Van Nostrand Reinhold, 1972. P. 180.

45. Worthy W. Uses for New Silicon Polymers Investigated / Chem. Eng. News. 1980. Vol. 58. N 23. P. 20.

46. Kajiwara M. The Formation of β-SiC Fibres with SiO2–C– NaF(AlF3) Components / J. Mater. Sci. 1986. Vol. 21. N 7. P. 2254 – 2256.

47. Iwanaga H., Yoshie T., Katuki H., Egashira M. Defect Identification in Vapour-Grown β-SiC Whiskers / J. Mater. Sci. Lett. 1986. Vol. 5. N 9. P. 946 – 948.

48. Milewski J. V. Whiskers / Concise Encyclopedia of Composite Materials. Edited by A. Kelly. — Oxford, UK: Pergamon Press, 1989. P. 281 – 284.

49. Hasegawa Y., Okamura K. Synthesis of Precursors for SiC–C Fibers by Copyrolysis of Polysilane and Pitch / Yogyo Kyokai Shi. 1987. Vol. 95. N 1. P. 99 – 103.

50. Penn B. G., Ledbetter F. E., Clemons J. M., Daniels J. G. Preparation of Silicon Carbide-Silicon Nitride Fibers by the Controlled Pyrolysis of Polycarbosilazane Precursors / J. Appl. Polymer Sci. 1982. Vol. 27. N 10. P. 3751 – 3761.

51. Penn B. G., Ledbetter F. E., Clemons J. M. An Improved Process for Preparing Tris(N-methylamino)Methylsilane Monomer for Use in Producing Silicon Carbide-Silicon Nitride Fibers / Industr. Eng. Chem. Process Design Devel. 1984. Vol. 23. N 2. P. 217 – 220.

52. Penn B. G., Daniels J. G., Ledbetter F. E., Clemons J. M. Preparation of Silicon Carbide-Silicon Nitride Fibers by the Pyrolysis of Polycarbosilazane Precursors: A Review / Polymer Eng. Sci. 1986. Vol. 26. N 17. P. 1191 – 1194.

53. Legrow G. E., Lim T. F., Lipowitz J., Reaoch D. S. Ceramics from Hydridopolysilazane / Am. Ceram. Soc. Bull. 1987. Vol. 66. N 2. P. 109 – 114.

54. Chaim R., Heuer A. H., Chen R. T. Microstructural and Microchemical Characterization of Silicon Carbide and Silicon Carbonitride Ceramic Fibers Produced from Polymer Precursors / J. Am. Ceram. Soc. 1988. Vol. 71. N 11. P. 960 – 969.

55. Yajima S., Iwai T., Yamamura T., Okamura K., Hasegawa Y. Synthesis of a Polytitanocarbosilane and its Conversion into Inorganic Compounds / J. Mater. Sci. 1981. Vol. 16. N 5. P. 1349 – 1355.

56. Yajima S., Okamura K., Tanaki J., Hayase T. High-Temperature Strengths of Aluminum Composite Reinforced with Continuous SiC Fibre / J. Mater. Sci. 1981. Vol. 16. N 11. P. 3033 – 3038.

57. Simon G., Bunsell A. R. The Creep of Silicon Carbide Fibers / J. Mater. Sci. Lett. 1983. Vol. 2. N 2. P. 80 – 82.

58. Simon G., Bunsell A. R. Mechanical and Structural Characterization of the Nicalon Silicon Carbide Fibre / J. Mater. Sci. 1984. Vol. 19. N 11. P. 3649 – 3657.

59. Simon G., Bunsell A. R. Creep Behaviour and Structural Characterization at High Temperatures of Nicalon SiC Fibres / J. Mater. Sci. 1984. Vol. 19. N 11. P. 3658 – 3670.

60. Mah T., Hecht N. L., McCullum D. E., Hoenigman J. R., Kim H. M., Katz A. P., Lipsitt H. A. Thermal Stability of SiC Fibres (Nicalon) / J. Mater. Sci. 1984. Vol. 19. N 4. P. 1191 – 1201.

61. Sakai M., Watanabe K. Effect of Pre-treatment and Annealing Temperature on the Strength of SiC–Ni Monofilament Composites / J. Mater. Sci. 1984. Vol. 19. N 10. P. 3430 – 3436.

62. Martineau P., Pailler R., Lahaga M., Naslain R. SiC Filament/Titanium Matrix Composites Regarded as Model Composites. Part 2. Fibre/Matrix Chemical Interactions at High Temperatures / J. Mater. Sci. 1984. Vol. 19. N 8. P. 2749 – 2770.

63. Strife J. R., Prewo K. M. Silicon Carbide Fibre-Reinforced Resin Matrix Composites / J. Mater. Sci. 1982. Vol. 17. N 1. P. 65 – 72.

64. Tawil H., Bentsen L. D., Baskaron S., Hasselman D. P. H. Thermal Diffusivity of Chemically Vapour Deposited Silicon Carbide Reinforced with Silicon Carbide or Carbon Fibres / J. Mater. Sci. 1985. Vol. 20. N 9. P. 3201 – 3212.

65. Yamamura T., Ishikawa T., Okamura K. Development of a New Continuous Si – Ti – C – O Fibre Using an Organometallic Polymer Precursor / J. Mater. Sci. 1988. Vol. 23. N 7. P. 2589 – 2594.

66. Sawyer L. C., Jamieson M., Brikowski D., Haider M. I., Chen R. T. Strength, Structure, and Fracture Properties of Ceramic Fibers Produced from Polymeric Precursors: I, Base-Line Studies / J. Am. Ceram. Soc. 1987. Vol. 70. N 11. P. 798 – 810.