原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Zhao Z, Liao W, Chen J, et al. Advanced research on the preparation and application of carbide ceramic fibers. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220936

1、导读

碳化物陶瓷纤维因其优异的性能，如高强度、高模量、优异的耐高温和抗氧化性能等，在先进航空发动机、空天飞行器和核工业等高技术领域具有重要的应用价值。本文综述了不同碳化物陶瓷纤维的制备和应用进展，包括SiC纤维、过渡金属碳化物（如ZrC、HfC、TaC）陶瓷纤维等。该综述对新型陶瓷纤维的开发、现有陶瓷纤维的改进与应用等具有重要的参考价值，有助于推进高性能碳化物陶瓷纤维的研究与发展。

2、研究背景

作为先进陶瓷材料的重要发展方向之一，陶瓷纤维不仅在先进航空发动机、新型高速飞行器等航空航天装备以及新一代核反应堆等核能装置领域具有重要的应用价值，而且在电化学和催化等新兴领域的需求也在不断涌现。近年来，高性能碳化硅陶瓷纤维制备和应用的研究愈加广泛、深入，超高温陶瓷纤维、复合碳化物陶瓷纤维等新型陶瓷纤维相关报道也越来越多。因此，为帮助相关研究者更快了解碳化物陶瓷纤维的研究现状和发展趋势，对其进行阶段性总结十分必要。

3、文章亮点

本综述全面总结了不同碳化物陶瓷纤维的研究现状。首先本文以最典型的碳化硅纤维为例，系统介绍了由CVD法制备的大直径（~100 µm）碳化硅纤维、由先驱体转化法制备的细直径（~10 µm）碳化硅纤维以及碳化硅纳米纤维的研究情况，然后深入综述了碳化硼纤维、过渡金属碳化物（包括 TiC、ZrC、HfC、TaC）纤维、以及复合碳化物纤维的研制现状。在此基础上，主要总结了碳化物陶瓷纤维在耐高温结构材料、催化剂载体、传感器和超级电容器等方面的应用情况。最后本文指出了碳化物陶瓷纤维目前研究存在的不足之处，并展望了碳化物陶瓷纤维未来的发展趋势。

4、研究结果及结论

（1）总结了碳化物陶瓷纤维的发展现状，重点介绍了非金属碳化物（SiC和B₄C）陶瓷纤维和高熔点（＞3000 ℃）过渡金属碳化物（TiC、ZrC、HfC、TaC）陶瓷纤维的制备。其中，着重梳理了国内外先驱体转化法制备碳化硅陶瓷纤维的研究现状，认为目前仅依据元素组成将碳化硅纤维分为三代是不够准确的，应从元素组成与微观结构双重角度考虑，将碳化硅陶瓷纤维分为四种类型（图1）。

图1 先驱体转化法制备的四种类型碳化硅陶瓷纤维的示意图

（2）简述了碳化物陶瓷纤维的应用进展。比如碳化物陶瓷纤维作为耐高温结构材料在航空、航天和核工业中的应用，重点介绍了碳化硅纤维增强碳化硅复合材料（SiC_f/SiC）在航空发动机各种部件和核反应堆结构材料中的应用。在阐述了碳化物陶瓷纤维在陶瓷基复合材料（CMC）、金属基复合材料（MMCs）和耐超高温复合材料（UHTCs）中作为增强结构材料的应用外，还简要介绍了碳化物陶瓷纤维作为功能材料在催化剂载体、传感器和超级电容器等方面的应用。

（3）总结了碳化物陶瓷纤维现存的问题并展望了其未来的发展方向。碳化物陶瓷纤维的制造和应用虽然取得了较大进展，仍存在以下不足，如：1) 碳化硅纤维的制备成本高，且现有强度仍远低于其理论值；2) 超高温碳化物陶瓷纤维技术未取得实质性突破；3）静电纺丝为代表的碳化物陶瓷纳米纤维制备技术实现工业化生产仍有差距。碳化物陶瓷纤维的不足也为科技工作者带来了更多的研究机遇。具体建议：1) 开发新的低成本制备方法、降低碳化物陶瓷纤维的成本； 2) 进一步优化现有工艺条件，提高碳化物陶瓷纤维的强度；3) 开发新型碳化物陶瓷纤维，比如制备细直径、高强度的碳化物陶瓷纤维和综合性能优异的复合碳化物陶瓷纤维；4) 建立碳化物陶瓷纤维的理论体系，包括碳化物陶瓷纤维的元素组成、微观结构与基本性能关系；5) 推广碳化物陶瓷纤维的应用领域。

5、作者及研究团队简介

通讯作者：焦健，中国航发北京航空材料研究院研究员。目前从事航空发动机用陶瓷基复合材料研制与应用研究。带领研究团队突破了碳化硅纤维增强碳化硅复合材料预浸料-熔渗工艺、氧化铝纤维增强氧化铝热压-烧结工艺等陶瓷基复合材料致密化关键技术，致力于推动陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用。承担了各类科研项目50余项，发表学术论文150余篇、出版译作1部，获授权国家发明专利60余项，入选了两项国家级人才项目，并获得中国航发"科技创新奖励先进个人"、中国复材学会“杰出青年工程师”、全国五一劳动奖章等奖励及荣誉。

通讯作者：苟燕子，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。主要从事高性能连续SiC纤维研制工作，在国内首次突破了高结晶第三代SiC纤维脱氧脱碳和高温烧结致密化核心关键技术、吸波SiC纤维电阻率大范围调控技术等。发表SCI论文70余篇，获授权国家发明专利40余项，参与编写SiC纤维国家测试标准9项，获军队科技进步一等奖1项，获2024年度材料类SAMPE中国创新奖，被评为国防科技大学巾帼建功先进个人。是Adv. Mater.、J. Adv. Ceram.、Compos. Part B-Eng.，J. Eur. Ceram. Soc.、J. Am. Ceram. Soc.等国内外十多个期刊的审稿人，在国内外学术会议上做邀请报告多次，是中国复合材料学会高级会员/陶瓷基复合材料分会委员、湖南省精密仪器测试学会理事。

第一作者：赵钟倩，湖南大学材料科学与工程学院博士研究生，目前在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联合培养，主要开展高性能碳化硅纤维的制备及其性能研究。

第一作者：廖威，中国航发北京航空材料研究院工程师，主要从事陶瓷基复合材料的研制与应用研究相关工作。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

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