碳纖維增強鋁基復(fù)合材料及其構(gòu)件的空間環(huán)境特性

武高輝，張云鶴，陳國欽，修子揚，姜龍濤，茍華松

（1.哈爾濱工業(yè)大學金屬復(fù)合材料與工程研究所，哈爾濱150001；2.東北林業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱150040）

1 引言

金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composite，MMC）是以金屬為基體，與一種或幾種金屬或非金屬增強相人工合成的材料。它與聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及碳/碳復(fù)合材料一起構(gòu)成現(xiàn)代復(fù)合材料體系。目前對鋁基、鎂基、銅基、鈦基等金屬復(fù)合材料研究較多，其中鋁基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用最為廣泛。金屬基復(fù)合材料品種繁多，按增強體類型還可分為連續(xù)纖維增強和非連續(xù)增強兩大類，非連續(xù)增強包括顆粒增強、晶須增強、短纖維增強等。與樹脂基復(fù)合材料相比，金屬基復(fù)合材料具備耐熱性、耐輻照、不氣化、不老化、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等特性，在導(dǎo)彈、電氣機械、火箭推進系統(tǒng)、運載火箭結(jié)構(gòu)和航天飛機等方面有廣泛應(yīng)用前景[1-2]。在現(xiàn)今的各類材料中，碳纖維增強鋁基復(fù)合材料（Cf/Al）具有高比強度、高比剛度、低熱膨脹、良好的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)異的性能，倍受航空航天部門的廣泛關(guān)注[3-7]。國外已有在衛(wèi)星波導(dǎo)管、天線骨架、衛(wèi)星桁架等對重量、強度、剛度要求很高的航天、航空部件應(yīng)用的報導(dǎo)[8]。

Cf/Al復(fù)合材料的空間應(yīng)用首先要突破Cf與Al的界面反應(yīng)問題Cf/Al復(fù)合材料高品質(zhì)制備技術(shù)問題、Cf/Al復(fù)合材料復(fù)雜形狀薄壁構(gòu)件成型問題等技術(shù)障礙。作者發(fā)明了Cf/Al復(fù)合材料還原氣氛—快速壓力浸滲制備技術(shù)[9]，有效地抑制了碳纖維高溫損傷、碳纖維和鋁合金界面不良反應(yīng)等問題，成功制備出高致密、高剛度、空間耐候性能好的航天用碳纖維增強鋁復(fù)合材料。發(fā)明了復(fù)雜薄壁構(gòu)件的一次成型方法[10]，低成本地制備出變直徑回轉(zhuǎn)體構(gòu)件、變截面多法蘭復(fù)雜構(gòu)件、熱膨脹可設(shè)計、高尺寸穩(wěn)定性的光學構(gòu)件。

本文綜述了Cf/Al復(fù)合材料面向空間應(yīng)用的基礎(chǔ)性能的研究成果，包括Cf/Al復(fù)合材料的組織、常溫力學性能、熱膨脹性能、尺寸穩(wěn)定性以及在空間輻照環(huán)境下的力學性能，以及Cf/Al復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)件的力學性能特點。

2 Cf/Al復(fù)合材料的顯微組織

圖1給出了采用壓力浸滲專利技術(shù)制備的Cf/Al復(fù)合材料（單向增強）的金相顯微組織，從中可以看出碳纖維在鋁基體中分布均勻，纖維和基體結(jié)合良好，復(fù)合材料無孔隙等缺陷。這種組織特點將使纖維均勻承載，同時基體會將載荷有效地傳遞給纖維，從而得到較理想的性能。

圖1 Cf/Al復(fù)合材料金相組織

3 Cf/Al復(fù)合材料的比強度和比模量

Cf/Al復(fù)合材料是一種輕質(zhì)高強的材料。采用壓力浸滲法制備的Cf/Al復(fù)合材料的密度為2.1g/cm3～2.2g/cm3，比鈦合金輕一倍。高強度是Cf/Al復(fù)合材料的最重要的性能特點之一，單向材料的彎曲強度達到1400MPa以上，拉伸強度為973MPa，模量為230GPa。

圖2列出了先進復(fù)合材料與其他傳統(tǒng)材料的比強度和比模量的對比?？梢姡珻f/Al的比強度最高，達到667 MPa·cm3/g，是鋼的6倍，為鈦合金和鋁合金的 3～3.5 倍。比模量達 110 GPa·cm3/g，是鋼、鋁合金和鈦合金的3倍以上，而與其它復(fù)合材料相比也要高出1倍以上。Cf/Al復(fù)合材料這種優(yōu)異的輕質(zhì)高強的材料特性為航天結(jié)構(gòu)輕量化、高精度提供重要的技術(shù)保障。

圖2 傳統(tǒng)航天材料和Cf/Al復(fù)合材料的比強度（a）和比模量（b）

4 Cf/Al復(fù)合材料熱膨脹性能

不同種類的碳纖維沿著纖維方向的膨脹特性有所不同，通常用于金屬基復(fù)合材料的碳纖維具有負膨脹特性，因此Cf/Al復(fù)合材料可以獲得較低的熱膨脹系數(shù)。本文所述的體積分數(shù)為55%的單向增強Cf/Al復(fù)合材料在纖維方向上的熱膨脹系數(shù)為（0～2）×10-6℃-1，（20℃～490℃），垂直纖維方向上為（17.05～20.25）×10-6℃-1，（20℃～490℃）。對于大型光學系統(tǒng)構(gòu)件和雷達天線等元件，熱膨脹是最重要的性能之一，因此它是制造這類構(gòu)件的理想材料。同時由于材料的熱膨脹系數(shù)具有各向異性，可以通過材料設(shè)計獲得不同方向不同熱膨脹系數(shù)的構(gòu)件。

圖3 Cf/Al復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)

圖4 Cf/Al在-20℃～60℃交替變化條件下的尺寸變化

5 Cf/Al復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性

Cf/Al復(fù)合材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性，圖4為用冷熱沖擊法對Cf/Al進行檢測后的試驗結(jié)果，可以看出：縱向尺寸相對變化小于4×10-6，橫向尺寸相對變化小于12×10-6。隨著冷熱循環(huán)次數(shù)的增加，尺寸變化趨于恒值，說明Cf/Al復(fù)合材料具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。

6 Cf/Al復(fù)合材料的空間環(huán)境耐候性

復(fù)合材料在空間飛行中要經(jīng)受如超高真空度、高低溫交變沖擊、帶電粒子照、紫外輻照等環(huán)境的損傷，開展空間環(huán)境條件對復(fù)合材料性能影響的分析對航天結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)異性能具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文研究了空間環(huán)境條件下的高真空、粒子輻照、溫度等因素對Cf/Al復(fù)合材料的性能影響規(guī)律。

6.1 高真空環(huán)境下的材料行為

通常的材料在高真空度下會有逸氣的特性，材料的逸氣一方面會造成材料質(zhì)量損失、強度下降，還容易造成儀器的污染，因此，真空下的逸氣性能是材料空間應(yīng)用性能的基礎(chǔ)特性。

對Cf/Al復(fù)合材料的真空逸氣性測試，試驗結(jié)果如表1，作為對比，對樹脂基復(fù)合材料也進行了測試。結(jié)果表明，Cf/Al復(fù)合材料的總質(zhì)量損失為0.06%，水蒸氣回收量≤0.01%，收集到的可凝揮發(fā)物≤0.02%，均超過航天工業(yè)部標準QJ1558－88的要求。相比之下，聚合物復(fù)合材料的質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)物較多，有機材料的逸氣產(chǎn)物包括水，吸附性氣體，溶劑，低分子量添加劑等，可凝揮發(fā)物過多有可能造成空間環(huán)境污染。

表1 真空中Cf/Al復(fù)合材料揮發(fā)性能

6.2 帶電粒子輻照條件下的材料行為

Cf/Al復(fù)合材料在空間條件下，性能穩(wěn)定。本文對Cf/Al復(fù)合材料的在帶電粒子輻照條件下的行為進行了研究，圖5為對復(fù)合材料帶電粒子輻照（輻照源：60Co源；輻照劑量：3000Gy）前后的性能對比，發(fā)現(xiàn)輻照后的材料性能變化很小，在測試誤差之內(nèi)。

圖5 帶電粒子輻照對Cf/Al復(fù)合材料彎曲強度的影響

6.3 高低溫環(huán)境下的材料強度

在低軌道中，由于地球自轉(zhuǎn)，航天器不斷經(jīng)受太陽直射和處于太陽陰影里，對航天器造成冷熱交變的環(huán)境。本文對Cf/Al復(fù)合材料分別在-40℃，20℃和100℃溫度下拉伸強度和彈性模量進行了測試，結(jié)果如表2，試驗證明，復(fù)合材料的性能在-40℃～100℃溫度范圍內(nèi)變化不大，強度變化范圍在±5%以內(nèi)，彈性模量變化范圍在±3%以內(nèi)。

表2 Cf/Al復(fù)合材料在不同溫度下的拉伸強度和彈性模量

7 Cf/Al復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的成型技術(shù)及強度、剛度特性

由于纖維增強復(fù)合材料具有各項異性的特性，材料性能不能直接表征為構(gòu)件的性能，對于纖維增強金屬基復(fù)合材料構(gòu)件性能的仿真尚沒有合適的計算方法，目前考察結(jié)構(gòu)件的性能還必須采用實體測試的手段進行驗證。作者采用壓力浸滲法制備了變直徑的圓筒狀復(fù)合材料艙體，纖維排布方向與艙體軸向呈 30°～45°，艙體為薄壁結(jié)構(gòu)（壁厚為 2mm），與相同結(jié)構(gòu)的壁厚為4mm鎂合金艙體進行了靜力試驗對比。圖6為在相同側(cè)向彎曲載荷下復(fù)合材料艙體和鎂合金艙體的變形情況，可以看出鎂合金艙體的最大變形為3.2mm，而復(fù)合材料艙體的最大變形為0.9mm，復(fù)合材料艙體的結(jié)構(gòu)剛度是鎂合金艙體的3倍。圖7為艙體的軸向壓縮試驗結(jié)果，試驗表明，復(fù)合材料艙體軸向壓縮強度是鎂合金艙體的2倍。

圖6 側(cè)向載荷下艙體結(jié)構(gòu)的變形

圖7 Cf/Al復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與鑄鎂結(jié)構(gòu)的軸向壓縮強度

8 結(jié)束語

碳纖維增強鋁基復(fù)合材料在航天領(lǐng)域作為高強度高剛度材料已顯示出巨大的應(yīng)用潛力[11-13]。隨著我國在碳纖維與鋁的界面反應(yīng)控制、高致密制備、復(fù)雜薄壁構(gòu)件成型等多項技術(shù)難題的解決，Cf/Al復(fù)合材料已經(jīng)顯示出在空間光學構(gòu)件、衛(wèi)星構(gòu)件、航天器艙體、艙外航天器、力傳動軸等對重量、強度、剛度、空間穩(wěn)定性要求高的航天結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用前景，對新一代航天器小型化、輕量化、高精度、高可靠性的總體目標要求將產(chǎn)生巨大的技術(shù)保障作用。 ◇

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