碳化硅纤维的重要进展

碳化硅纤维的重要进展 罗晰旻 （全国特种合成纤维信息中心， 北京 100028） 摘 要:碳化硅(SiC)及含钛SiC（基拉诺）纤维，在工艺技术、织造方法、复合材料制备和市场开拓方面均取得重要进展， 特别是在汽车尾气处理、飞机和汽车发动机部件、船舶废气高温粉尘滤材、未来电厂锅炉涡轮叶片及核电站燃料棒等应用 领域都取得了新的突破。因此宇部兴产公司于2010年底建成了中试厂，2013年将实现产业化，产能100 t/a，我国也正在研发 这两种SiC纤维。 关键词:碳化硅纤维；含钛碳化硅纤维；工艺技术；市场进展 中图分类号: TQ343.6 文献标识码: A 文章编号: 1007-9815（2011）04-0033-02 The Important Developments in Silicon Carbide Fiber LUO Xi-min (National Specialty Synthetic Fiber Information Center, Beijing 100028 China) Abstract: The important developments of SiC and Tirano fibers in technologies, weaving & Knitting process, SiC/ SiC composite materials manufacturing and market developing were illustrated, especially the new breakthrough in car’s exhaust gas treating, engine parts of airplane and car, high temperature exhaust gas filter of ships, boiler’s turbine blade of power plant and fuel rod of nuclear power station etc. So the pilot plant of Tirano had been built in the end of 2010 by UBE Industries Co., and will be further industrialized in 2013, the capacity will be 100t/a, while China is also developing both SiC fibers. Key words: SiC fiber; Tirano fiber; technology process; market development Vol.36 No.4 Aug. 2011 高 科 技 纤 维 与 应 用 Hi-Tech Fiber & Application 第36卷 第4期 2011年8月 收稿日期: 2011-08-04 作者简介: 罗晰旻（1982-），男，北京人，助理 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师，从事特种纤维信息研究工作，(电话)13810073320(电子信箱) luoxm@sohu.com。 目前SiC纤维有5 种：普通Sic纤维、含钛Sic 纤维、碳芯SiC纤维、钨芯SiC纤维及SiC晶须。本 文只介绍前两种纤维的新制备技术以及在航空航 天、船舶、核电站与高温炉的重要应用。 1 SiC纤维 1.1 新工艺技术和新品种 1.1.1 SiC纳米纤维 大连理工大学材料科学与工程学院利用静电 纺丝技术在实验室研制出SiC纤维，所用聚合物原 料为平均相对分子质量为1 800～2 200的聚碳硅烷 （PCS）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP），溶于无水 乙醇后用静电纺丝法在30 kV电压下制成纳米非织 造布，然后进行不熔化和在1 400 ℃左右煅烧而得 纳米SiC非织造布。 1.1.2 含表面氧化物的SiC纤维 日本超高温材料中心开发出SiC纤维表面覆 盖特种氧化物的高耐热无机陶瓷纤维，其芯材和 表面氧化物的线膨胀系数相等，纤维直径8～10 μm，密度2.5 g/cm3，抗拉伸强度2.5～3.0 GPa，抗 拉伸模量180～200 GPa，在高温环境下的耐氧化 性和耐久性优良，且具有高热反射率，可加工成 非织造布（体积空隙率95%、面密度280 g/m2）和 平纹织物（面密度260 g/m2）。可用作各种工业 炉的绝热材料，当要保持1 300 ℃的高温时，采用 它后可少投入电量30%。还可用作高温滤材、航 空、航天和汽车的发动机高温部位材料。 1.2 SiC纤维增强SiC复合材料（SiC/SiC） 日本Enetec总研公司所开发的C/C复合材料， 是采用独自开发的“NITE法”，将SiC纳米粉浸 渍于SiC纤维上，然后烧结而制得。它可耐1 800 ℃的高温，是硬度仅次于金刚石和碳化硼的材 料，适用于航空航天和核电用途，作为未来核电 站的燃料棒和新一代核融合炉的隔板，它即使用 半年后仍不会受放射线污染，可以用手触摸而无 放射线。还可用于发电厂的耐高温涡轮叶片、锅 炉和高温气体炉的燃料棒，目前需求量猛增。 该公司是于2007年进行设备投资，在山口县 宇部市引入连续烧结炉，2009年转移至京都府绫 部市。2008年1月，与京都大学和法国原子能厅 （CEA）共同签署了SiC纳米粉的协议，而且与 Gunze（昆杰）公司合作开发SiC纺织品。 目前该公司已形成4 个强项：①开发出与宇 部兴产最高级别的SiC纤维“Tirano纤维SA”同等 级别但更为廉价的产品；②拥有京都大学名誉教 授、室兰工业大学教授香山晃所开发的复合材料 成型技术“NITE法”的独占使用权，该法与现有 复合材料的制法相比，可成型成致密的结构，其 强度保持率、高导热性及耐磨性等优良；③取得 了CEA所开发的SiC粉末在亚洲的独占购入权和销 售权，并签署了正式的协议。2009年11月该公司 可自由控制和制得20～100 nm的SiC粉末，预定于 2011年在新设备上开始提供高纯度（99.999%） 的粉末；④拥有昆杰合作方的纤维织造和编织技 术，可使极硬而又易折的SiC纤维织成各种织物和 编织物，为此可 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 成板状、管状等范围极广的 结构，受到市场的注目。 2 含钛SiC纤维 2.1 在新一代飞机发动机的应用取得突破 含钛SiC纤维是日本宇部兴产公司独家小批 量生产的先进陶瓷纤维，商品名“Tirano（基拉 诺）”，其成份是由硅、钛、锆、碳、氧所组 成，在1 600 ℃时长丝强度不下降，在2 000 ℃时 也不燃烧，因此当用作飞机发动机材料时，可在 1 600 ℃高温下运行，使发动机效率大大提高，一 方面可抑制CO、CO2和氮氧化物等的产生，还可 使发动机轻量化，并使总成本下降，其复合材料 极适用于军机发动机和喷气口。 该纤维最早是在20世纪80年代中期研制的， 但由于当时找不到有效的市场，发展十分缓慢，直 到近年来在全球节能减排的大背景下，才引起飞机 发动机公司的重视。首先将由CFM国际公司（法 国斯内科玛和美国GE公司合资）在新型的West Line涡轮叶片发动机上试用，作为下一代飞机发动 机“LEAP-X”的SiC增强陶瓷复合材料使用，该发 动机今后将比目前空客A320和波音新一代B737飞 机所搭载的“CFM 56 Tech insertion”发动机，最大 可削减燃料费16%，因此其展示用的飞机发动机将 于2012年试运行，预期于2016年取得型号认定，我 国的飞机制造业也对该材料表示极大兴趣。此外， 还可用于飞机和飞翔体的喷气口材料。 为此，宇部兴产已于2010年底在宇部工厂内 建设该纤维的中试厂，约2013年中期确立商业生 产设备，产能为100 t/a。我国国防科技大学也曾 研制过含钛的SiC纤维。 2.2 在船舶的高温排气滤材上已正式采用 由于2012年世界的排气法规愈来愈严，因 此船舶公司看好含钛SiC纤维可耐1 800 ℃的特 性，决定作为船舶排气时的高温柴油微粒滤材 （DPF）使用。在日本最早已于2008年起用于芦 野湖的游览船上，2009年被搭载于部分渡轮上。 因此，这种含钛SiC短纤维针刺毡作为DPF的需求 量，在高峰期曾达80 t/a。 2.3 在F1赛车上将扩大应用 目前“F1”赛车的大部分车队的排气管材 料，都已采用基拉诺纤维增强陶瓷部件，而且有 扩大其应用部位的趋势。因此，宇部兴产决定继 第一期工程导入中试生产线后，第二期将在同一 工厂增设产业化装置。 3 结束语 SiC及含钛SiC纤维对发展新一代军机和民航机 的发动机和喷气口材料、未来汽车的废气处理和船 舶的高温粉尘滤材，以及新一代核电站的关键部件 之一，具有越来越重要的意义，而我国都已有多年 的研发经验，可以根据需要第一期先建设小型中试 厂，为我国战略性新兴产业作出贡献。 （下转第45页） 高科技纤维与应用- 34 - 第36卷 玻纤已成为成熟产品走向海外。此外，我国舰艇市 场将蕴伏着对高性能玻纤的巨大需求，一批功能型 工作船艇如交通执法艇、快艇、边防巡逻艇、小型 潜水艇、豪华游艇、赛艇、救生艇等的制造将全面 采用真空灌注工艺，从而使玻纤复合材料船艇的质 量更轻、强度更高、航速更快、更经济和更低碳。 高性能玻纤的开发，带来的经济效益是巨大 的，从自身来讲，玻璃熔制温度的提高，采用纯燃 烧技术成为必须。纯氧燃烧不仅节约燃料和用电， 提高能源利用率，而且大大减少氮氧化物的排放和 对环境的污染。据河北金牛公司提供数据，纯氧助 燃比空气助燃节约燃料50%以上，节省用电101万 kWh/a，原丝总产量由4.5万 t/a提高到5.5万 t/a。 高性能玻纤持续开发获得的环境效益是多方 面的，据OCV对40 座全氧燃烧的玻璃熔窑测试数 据来看，由于玻璃成分中不含硼和氟，这种玻璃熔 制中硼化物挥发保以避免，也减轻了对耐火材料的 侵蚀；窑炉采用纯氟氧燃烧技术，使废气排放中的 氮氧化物可降低85%以上，铝硼硅酸盐玻璃配合料 粉尘可降低30%～50%，而且综合设备投资及生产 维修费用相对较低。 全球高性能玻纤此起彼落的开发，推进了玻 纤产业向高端发展。科学无止境，实践出真知。我 们在现有不断创新的基础上，通过玻璃成分、表面 处理、炉窑结构、漏板结构的一系列技术设计， 加快推进高性能玻纤向多功能、多品种发展大有奔 头，并以此赢来更多的高端市场。高性能玻纤的持 续开发，缩短了与当前高性能纤维的性能差距，并 在玻纤的特性得到了更大的发挥；此外，因为与其 他高性能纤维之间存在性价比高的优势，使高性能 玻纤继续保持在民用产品领域的巨大市场。据有关 信息了解，2010年国内玻纤复合材料用玻纤达160 多万 t，其中高性能玻纤的需求达26万 t。 “十一五”期间，我国碳纤维、对位芳纶、 高强度聚乙烯纤维、连续玄武岩纤维等各种高性能 有机和无机纤维在取得研发成果基础上进入产业化 和市场应用；“十二五”期间，我国高性能纤维 将面临继续扩大开发和产业化。经过创新的我国玻 纤产业，面临与各类增强纤维的竞争，唯有积极参 与，优势互补，科学混杂，才能使未来新兴的复合 材料产业呈现出百花齐放、绚丽多彩的崭新局面。 参考文献： [1] 风力发电机叶片和材料技术, OCV公司8届国际复材 展报告资料, 2005. [2] 徐进, 张伟, 林洪芹. 纺织复合材料在风力发电叶片制 造中的应用研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2010, (4):81-83. [3] 赵鸿汉. 国内兆瓦级玻璃钢叶片市场分析[C]，河北 保定: 中国农机协会、中国风电协会保定会议报告, 2010. 参考文献： [1] 张磊, 李佳艳，谭毅，等. 静电纺丝法制备SiC纤维[J]. 材料导报, 24(4): 81～83. [2] 高耐热的无机纤维[N]. 化学工业日报, 2010, (21 997): 3. [3] S i C F i b e r C o m p o s i t e C a n B e S h a p e d i n t o Multiple Forms[N]. Japan Chemical Week, 2009, (2 508): 2 150. [4] SiC复合材料的多用途展开[N]. 化学工业日报, 2009, (21 747): 3. [5] SiC/SiC复合材料朝正式事业化前进[N]. 化学工业日报, 2009, (21 758): 3. [6] SiC/SiC复合材料开拓民生用途[N]. 化学工业日报, 2010, (21 992): 3. [7] 基拉诺纤维应用于新型飞机引擎[N]. 化学工业日报, 2009, (21 596): 2. [8] 碳化硅纤维主攻船舶和飞机领域[N]. 化学工业日报, 2009, (21 706): 3. [9] 宇部兴产积极投资中期 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 [N]. 石油化学新闻, 2009, (4 670): 1. [10] 基拉诺纤维正式扩产[N]. 化学工业日报 , 2010, (21 881): 3. [11] 飞机用基拉诺纤维将于2013年投入商业生产[N]. 石 油化学新闻, 2010(4 706): 1. [12] 航空宇宙材料于2020年将达到500亿日元产业[N]. 石 油化学新闻, 2010, (4 707): 4. [13] 基拉诺纤维于2013年将增设第二期设备[N]. 石油化学 新闻, 2011, (4 747): 1. 赵鸿汉：高性能玻纤的持续开发是增强玻纤的创新方向第4期 - 45 - （上接第34页）