金屬基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

1、0加次號材料表面與界面題 目：金屬基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展學(xué) 院：化學(xué)與化工專業(yè)及班級： 無機(jī)121年 級： 2012 級學(xué)生姓名：嚴(yán)紅梅學(xué) 號： 1208110439教 師：張 煜2014 年 12月 9 日金屬基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展嚴(yán)紅梅（貴州大學(xué)無機(jī)121班）【摘要】：介紹了金屬基復(fù)合材料的構(gòu)成、分類，以及性能特點(diǎn)分析了鋁合金和鈦合金復(fù)合材料的性能。討論了金屬基復(fù)合材料在航天器結(jié)構(gòu)材料、熱管理系統(tǒng)、電子封裝、慣性器件、光學(xué)儀器和液體發(fā)動機(jī)中的典型應(yīng)用。【關(guān)鍵字】 復(fù)合材料，金屬基，性能，應(yīng)用。引言金屬基復(fù)合材料（簡稱MMC是以金屬、合金或金屬間互化物為基體、用各類增強(qiáng)相

2、進(jìn)行增強(qiáng)的復(fù)合材料。它是復(fù)合材料的一個分支。近代科學(xué)高新技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是航空和航天應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展， 對材料的要求越來越高。 除了要求材料具有高強(qiáng)度、高模量、耐輻射、低熱脹、低密度、可加工性外，還對材料的韌性、耐磨、耐腐蝕及抗蠕變等理化性能提 出種種特殊要求，這對單一的某種材料來說是很難都具備的。必須采用復(fù)合技術(shù)，把一些不同的材料復(fù)合起來，取其所長來滿足這些性能要求。金屬基復(fù)合材料就是在這樣的前提下產(chǎn)生的。這些年來 MMC得到了廣泛關(guān)注，并在航空和航天工程中取得了應(yīng)用的成果。據(jù)美國 航天局預(yù)測：金屬基復(fù)合材料將成為本世紀(jì)空間戰(zhàn)、衛(wèi)星和空間飛行器白主要結(jié)構(gòu)材料1。正文1金屬基復(fù)合材料的分類M

3、MC通常按增強(qiáng)相形態(tài)分為連續(xù)纖維增強(qiáng)MMC和非連續(xù)增強(qiáng)（顆粒、晶須、短切纖維）MM（M大類，最常用的增強(qiáng)纖維為碳纖維 （Gr）、硼纖維、碳化硅（SiC）纖維、氧化鋁（A12O3） 纖維。晶須和顆粒增強(qiáng)體有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦（TiC）、氮化硅（Si3N4）等。MMC也可以按金屬基體類型分類，分為鋁基、鎂基、銅基、鈦基、鈦鋁互化物基等MMC其中鋁基鎂基MMC使用溫度在450 c以下、鈦基和鈦鋁互化物基 MMC使用溫度450700C,饃基 鉆基MMC可在1200 c下使用。鋁基MMC是各國開發(fā)的重點(diǎn)， 我國亦已列入相關(guān)計(jì)劃。連續(xù)纖維增強(qiáng)MMC中由于纖維是主要承力組元，而且這些纖維在高溫下強(qiáng)度很少

4、下降，因此 具有很高的比強(qiáng)度和比剛度， 在單向增強(qiáng)情況下具有很強(qiáng)的各向異性。其中連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦合金基復(fù)合材料，已成為競爭力很強(qiáng)的高溫結(jié)構(gòu)材料。由于制造工藝復(fù)雜，且有些長纖維（如硼纖維）價格十分昂貴，基體仍起到主要作用，其強(qiáng)度與基體相近，但剛度、耐磨性、高溫 性能、熱物理性能明顯增強(qiáng)，制造工藝也相對簡單，技術(shù)難度較小，可以在現(xiàn)有冶金加工設(shè)備基礎(chǔ)上工業(yè)化生產(chǎn)，成本較低。例如，非連續(xù)纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料開發(fā)已比較普遍, 但它的增強(qiáng)作用也主要是體現(xiàn)在重量的降低和剛度的提高。2金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)金屬基復(fù)合材料集高比模量、高比強(qiáng)度、優(yōu)良導(dǎo)熱和導(dǎo)電性、 優(yōu)良尺寸穩(wěn)定性和耐高溫性能于一體，是近年來復(fù)合

5、材料研究的熱點(diǎn)。其具體性能取決于所選金屬基體和增強(qiáng)材料的 特性、含量和分布。比強(qiáng)度和比模量基體和增強(qiáng)相的直接增強(qiáng)和基體組織變化產(chǎn)生的間接增強(qiáng)，顯著地增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度和剛性。在金屬基體中加入體積份數(shù)3050%曾強(qiáng)材料后，材料強(qiáng)度和模量就會有顯著增大。和未增強(qiáng)金屬材料的性能比較導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性由于金屬基體在 MMC中含量通常很高，體積份數(shù)一般為5070%因此它仍舊保持金屬材料所具有的良好導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。采用高導(dǎo)熱性增強(qiáng)材料（如超高模量碳纖維）增強(qiáng)后復(fù)合材料導(dǎo)熱率有時比純金屬還高，因此非常適合制作集成電路底板和封裝件，將電子部件的熱迅速散發(fā)出去。優(yōu)良的導(dǎo)電性能，使它具有其它類型復(fù)合材料缺乏的波導(dǎo)功能。尺

6、寸穩(wěn)定性許多增強(qiáng)材料既具有很小的熱膨脹系數(shù)（甚至是負(fù)值熱膨脹系數(shù)），同時又具有很高的模量用這些材料增強(qiáng)的 MMC可以使熱膨脹系數(shù)明顯下降，并且達(dá)到很高的模量，因此十分 有利于航天部件在大幅度溫度交變環(huán)境中，保持良好的尺寸穩(wěn)定性，使部件實(shí)現(xiàn)高精度，高效率。耐高溫性能MMC高溫性能通常優(yōu)于金屬材料，特別是在連續(xù)纖維增強(qiáng)時，由于纖維起主要承載作用， 很多增強(qiáng)纖維在高溫下強(qiáng)度很少下降，因此許多MMC的高溫力學(xué)性能可保持到金屬熔點(diǎn)，這和普通金屬材料（如鋁合金、鈦合金）隨著溫度升高，強(qiáng)度迅速下降的特點(diǎn)形成鮮明對比?？珊附有訫MC可以采用傳統(tǒng)的電弧焊（如氣體保護(hù)焊）進(jìn)行焊接，這是它和其它類復(fù)合材料加工 性的

7、顯著區(qū)別。其焊接性能和基體合金類似， 主要區(qū)別在于其熔池具有很高的粘度，在焊接橫截面大的零件時，熔池的高粘度會阻礙零件焊透，因此必須開焊接坡口。 MMC勺可焊性不僅可以用來連接結(jié)構(gòu)件，而且用來補(bǔ)焊和修復(fù)鑄件缺陷，使MMC具有更好的可加工性。3在航天器上的應(yīng)用由于金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度、疲勞性能、熱性能等良好的性質(zhì)，在過去30年中已經(jīng)受到了航天應(yīng)用領(lǐng)域極大的關(guān)注。正如在參考文獻(xiàn)中描述的，航空航天工業(yè)需要減輕太空推進(jìn)系統(tǒng)和航天結(jié)構(gòu)重量，金屬基復(fù)合材料可提供一些潛在的優(yōu)點(diǎn)來達(dá)到這個目的。此外，這種材料還經(jīng)常伴隨著良好的熱傳導(dǎo)性和低密度等特性，因此具有了高比強(qiáng)度和比剛度，低熱膨脹系數(shù)（CTE）等優(yōu)點(diǎn)

8、，并且有可能根據(jù)特定應(yīng)用要求來設(shè)計(jì)其性能。由于這些吸引人的性質(zhì)，金屬基復(fù)合材料已經(jīng)被用在一些重要的航天應(yīng)用中，包括航天飛機(jī)軌道器的結(jié)構(gòu)管件、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的天線波導(dǎo)竿，通訊衛(wèi)星裝置中的熱管理。結(jié)構(gòu)材料MMC用作航天器結(jié)構(gòu)材料，具有超過聚合物基復(fù)合材料的一系列性能優(yōu)點(diǎn)（耐高溫能力，老化性能、出氣量、抗輻射和抗原子氧、抗熱沖擊、導(dǎo)熱率、尺寸穩(wěn)定性、表面缺陷敏感性等）。從上世紀(jì)80年代以來的一系列應(yīng)用已經(jīng)充分展示了它的效益。然而由于成本原因，直到現(xiàn)在它的應(yīng)用仍限定在較小范圍內(nèi)。MMC在航天中的最早應(yīng)用是美國航天飛機(jī)，它的軌道器中段機(jī)身主隔框、 翼肋桁架、框架穩(wěn)定支柱、前起落架、制動拉桿支柱，共使用了

9、 243根B/Al復(fù)合材料管形支撐件，用體積含量60%的單向硼纖維增強(qiáng)鋁制成，纖維方向平行于外加載荷方向，剛度好，比鋁合金減重145kg ,質(zhì)量比鋁合金輕 45%,效益十分顯著（見圖11）。繼后前蘇聯(lián)開發(fā)的“暴風(fēng)雪”號航天飛機(jī)的衛(wèi)星支架，也采用了 B/Al管材焊接而成 的桁架結(jié)構(gòu)，輪廓尺寸 3mx 3m,可同時放置三顆衛(wèi)星。所用的硼纖維直徑1400年 在鴇芯上用氣相沉積法制成，斷裂強(qiáng)度3500MPa、彈性模量400MPa。制成的復(fù)合材料桁架重 100kg, 比鈦合金輕5060kg,在性能方面和美國大體相當(dāng)。MMC用作航天器天線、太陽電池陣桁架等結(jié)構(gòu)也取得了成功。美國的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的高增益天線

10、桿結(jié)構(gòu)，需要非常高的軸向剛度和極低的熱膨脹系數(shù)，以保障反復(fù)出入太陽直射條件下保持尺寸穩(wěn)定性。它采用P100超高模量碳纖維（體積分?jǐn)?shù)40%）增韌的鋁6061基 MMC采用擴(kuò)散粘結(jié)工藝制造。桿長3.66m ,桿全長的尺寸偏差僅土 0.15mm,確保了太空機(jī)動飛行時天線的方位。另外它還由于具有良好的導(dǎo)電性能，從而提供了波導(dǎo)功能，保障了航天器和天線反射器之間的電信號傳輸，整個部件比碳/環(huán)氧材料輕63%。為先進(jìn)太陽電池陣展開機(jī)構(gòu)研制的非連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料可折疊大梁、中空長螺桿、特形螺母、導(dǎo)向搖臂，是MMC在航天器中的一個重要應(yīng)用嘗試。4.2熱管理系統(tǒng)和電子封裝火箭和衛(wèi)星熱管理系統(tǒng)是MMC的另一項(xiàng)重要應(yīng)用，

11、包括計(jì)算機(jī)芯片基片、大功率半導(dǎo)體設(shè)備和遠(yuǎn)程通信的微波元件封裝。這類應(yīng)用要求封裝材料熱導(dǎo)率在47X10-6/K范圍內(nèi)，以保證和半導(dǎo)體材料及陶瓷基片的熱導(dǎo)率匹配。非連續(xù)增強(qiáng) SiC (體積份數(shù)50% /Al 基復(fù)合材料具有優(yōu)異的匹配性。已成為當(dāng)前最佳的熱管理材料。從90年代起已在一系列先進(jìn)航天器上正式應(yīng)用。如美國“摩托羅拉”公司的“鉞星”，“全球定位系統(tǒng)”(GPS “火星探路者”和“卡西尼”深空探測器等，取代以前采用的高密度低導(dǎo)熱率Cu/W合金后，重量減輕約80%,無論是軍事效率，還是經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都十分可觀。MMC本身不會漏氣，而且可用焊接的連接工藝確保連續(xù)處密封，這為制成密封艙體提供了先決

12、條件，并在電源半導(dǎo)體封裝、微波模型上得到應(yīng)用。DSCS-III軍事通信衛(wèi)星等，使用了超過 23kg的饃基復(fù)合材料用于微波封裝。已研發(fā)生產(chǎn)的石墨顆粒增韌的鋁復(fù)合材料，除了具有高的比導(dǎo)熱率外，熱膨脹系數(shù)明顯降低， 且各向同性，將使不連續(xù)增韌鋁復(fù)合材料電子封裝在太空應(yīng)用 中繼續(xù)得到發(fā)展。液體火箭發(fā)動機(jī)采用MMC對于減輕液體火箭發(fā)動機(jī)重量和降低成本都具有顯著作用，目前已受到各國 重視。美國國防部和航空航天局聯(lián)合提出的一項(xiàng)為時15年的改進(jìn)航天推進(jìn)系統(tǒng)性能的(IHPRPT)中，提出要使液體發(fā)動機(jī)推重比提高60%,成本降低20%。采用MMC是其重要措施之一，已開展了一系列研制和演示試驗(yàn)。重點(diǎn)是下列三類部件用

13、的鋁基復(fù)合材料。第一類是在中溫下有很高剛度的部件，如法蘭盤、推力室、夾套、支承結(jié)構(gòu)，模量220GPa目前使用的是Ni基超級合金；第二類是較高溫度下工作(260C)的部件，如渦輪轉(zhuǎn)和定子、外殼、高溫推進(jìn)劑管線等。單級泵材料強(qiáng)度要求為862MPa,目前為Ni基超級合金；第三類是低溫推進(jìn)劑泵部件，包括泵體、葉輪、導(dǎo)流輪、導(dǎo)流片等，需要采用可以在-244 C下工作、強(qiáng)度范圍675MPa,延伸率6%密度4g/cm3,熱膨脹系數(shù)較低且可控的 MMC材料 代替目前的鍛造Ti合金。目前正在根據(jù)上述目標(biāo)開發(fā)各種鋁基復(fù)合材料，并采用近凈形加工方法。其關(guān)鍵技術(shù)在于控制顆粒體積份數(shù)和均勻分布。研究中的有顆粒和短纖維增

14、強(qiáng)鋁基MMC前者強(qiáng)度已達(dá)到 620MPa的較高水平。針對液氧泵和管線部件的相容性要求，正在研 制銅基MMC材料，要求260 C下強(qiáng)度達(dá)413MPa,密度7.5g/cm3。在某些發(fā)動機(jī)部件中還 正在開發(fā)饃基MMG【結(jié)論】金屬基復(fù)合材料已在航天系統(tǒng)中使用，如航天飛機(jī)軌道器和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。雖了解各種金屬基復(fù)合材料的工藝/特性的關(guān)系中得到了一系列的進(jìn)展，但金屬基復(fù)合材料工藝復(fù)雜， 制造成本高，仍然沒有被航天業(yè)廣泛地接受。在發(fā)展新的航天系統(tǒng)中成本已經(jīng)成為不得不考 慮的因素，因此在將來開發(fā)時，必須集中在價格適宜、質(zhì)量高的材料。另一方面，金屬基體優(yōu)秀的任性和良好的耐空間環(huán)境性能是MMC具有優(yōu)異性能的基礎(chǔ)，加之它在很大程度上可以借鑒或沿用金屬材料和樹脂基復(fù)合材料工藝技術(shù)，這都決定了MMC在航天領(lǐng)域更加廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1趙渠森，先進(jìn)復(fù)合材料手冊，機(jī)械工業(yè)出版社，20022周濤，包套鍛造快速凝固耐熱鋁合金的組織與性能，粉末冶金技術(shù)，2004年，1期:3李曉賓，金屬基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用，熱加工工藝，2006, 16期：71744李瑞祥，復(fù)合材料在太陽電池陣展開機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用，宇航材料工藝，2001年,5期:5崔巖，碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在航空航天應(yīng)用，材料工程，2002年，6期:6李晴昊，顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展，空間科學(xué)技術(shù)，199