淺談金屬基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

王秀麗 魏永輝

摘 要：金屬基復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比模量、耐熱、耐磨、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、不吸潮、抗輻射和低熱膨脹率等性能與優(yōu)點(diǎn)，被探索性的應(yīng)用于電子、汽車工業(yè)及航空航天領(lǐng)域。該文在概述金屬基復(fù)合材料及其分類基礎(chǔ)上，闡釋分析了金屬基復(fù)合材料在航空航天及相關(guān)領(lǐng)域的探索應(yīng)用，并就金屬基復(fù)合材料在該領(lǐng)域的未來研究改進(jìn)與發(fā)展應(yīng)用進(jìn)行了預(yù)測(cè)性分析；以期對(duì)更好促進(jìn)金屬基復(fù)合材料性能改進(jìn)及在航空航天領(lǐng)域的科學(xué)應(yīng)用有所幫助。

關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料 航空 航天 應(yīng)用 發(fā)展

中圖分類號(hào)：V257 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）02（c）-0016-03

20世紀(jì)的材料科學(xué)領(lǐng)域獲得了重大發(fā)展，其中復(fù)合材料占有著重要的一席之地；作為先進(jìn)復(fù)合材料代表的金屬基復(fù)合材料，成為世界發(fā)達(dá)國家爭(zhēng)奪技術(shù)優(yōu)勢(shì)而競(jìng)相發(fā)展的熱點(diǎn)。所謂金屬基復(fù)合材料（簡稱為MMC），其是以某種金屬或者金屬合金為基體，與一種或者多種金屬、非金屬增強(qiáng)相而人工合成獲得的復(fù)合型材料；金屬基復(fù)合材料，與當(dāng)前的聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料及碳-碳復(fù)合材料一同構(gòu)成了現(xiàn)代復(fù)合材料體系。金屬基復(fù)合材料，以其高比強(qiáng)度、高比模量、耐熱、耐磨、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、不吸潮、抗輻射和低熱膨脹率等性能、優(yōu)點(diǎn)，被探索性的應(yīng)用于電子工業(yè)、汽車工業(yè)及航空航天領(lǐng)域。已有研究表明，金屬基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的探索應(yīng)用，能有效提高航空航天產(chǎn)品的質(zhì)量水平和技術(shù)可靠性，從而極大促進(jìn)了世界范圍內(nèi)航空航天事業(yè)的健康發(fā)展。該文欲在概述金屬基復(fù)合材料及其分類基礎(chǔ)上，闡釋分析了金屬基復(fù)合材料在航空航天及相關(guān)領(lǐng)域的探索應(yīng)用，并就金屬基復(fù)合材料在該領(lǐng)域的未來研究改進(jìn)與應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)性分析；以期對(duì)更好促進(jìn)金屬基復(fù)合料性能改進(jìn)及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用有所幫助。

1 金屬基復(fù)合材料及其分類概述

1.1 金屬基復(fù)合材料概述

就金屬基復(fù)合材料的范疇，目前還是一個(gè)較有爭(zhēng)議的話題；單從復(fù)合材料定義角度講，只要是包含金屬相在內(nèi)的兩相、多相材料都可以稱之為金屬基復(fù)合材料；其通常包括定向凝固共晶層片或者纖維組織、雙相金屬間化合物層片組織、珠光體鋼、高硅鋁合金等。雖然就上述材料而言，有的學(xué)者將其稱之為金屬合金，而不是金屬基復(fù)合材料；但是這已不重要，重要的是其所蘊(yùn)含的“復(fù)合”思想已經(jīng)成為金屬材料性能提升和制造水平提高的巨大動(dòng)力與有效方式，也極大促進(jìn)了這一新型合金或者復(fù)合材料在工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.2 金屬基復(fù)合材料的分類

就金屬基復(fù)合材料分類而言，可以采用的分類依據(jù)較多。依據(jù)可觀察性，可以將金屬基復(fù)合材料分為為宏觀組合型和微觀強(qiáng)化型兩類，宏觀組合型金屬基復(fù)合材料主要指可以用肉眼來識(shí)別材料組分及同時(shí)具備兩組分性能的材料，如：雙金屬、包履板等；微觀強(qiáng)化型金屬基復(fù)合材料是指其內(nèi)部組分需要使用顯微鏡等觀察設(shè)備才能分辨，而多種材料復(fù)合的主要目的在于提高材料強(qiáng)度。依據(jù)金屬基復(fù)合材料所使用的基體不同，可以將金屬基復(fù)合材料分為鋼基、鋁基、鎂基、鐵基和鋁合金基等類別。依據(jù)增強(qiáng)相形態(tài)的不同，可以將金屬基復(fù)合材料分為顆粒增強(qiáng)金屬復(fù)合材料、晶須或者短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料等；所謂顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，是指借助于某種顆粒自身的強(qiáng)度，依靠基體將顆粒與材料組合在一起，顆粒平均直徑在1 μm左右，強(qiáng)化相容積比達(dá)90%以上；纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，則是借助于無機(jī)纖維、金屬細(xì)線等達(dá)到增強(qiáng)材料性能的目的，纖維直徑保持在3～150 mm之間，如果使用的是晶須則保證直徑不超過1 mm，長度與直徑比保持在102以上。上述分類中獲得認(rèn)可較多的是以“基體”為分類依據(jù)和以“增強(qiáng)相形態(tài)”為分類依據(jù)的金屬基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料以其獨(dú)特的性能、優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的、探索性的應(yīng)用于航空航天零部件產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，是一種具有很好發(fā)展前途的材料。

2 金屬基復(fù)合材料在航空航天及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用

航空航天領(lǐng)域向來對(duì)產(chǎn)品的安全系數(shù)、使用壽命要求較高，這也使得航空航天領(lǐng)域成為金屬基復(fù)合材料應(yīng)用最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，特別是在商用、軍用飛機(jī)及其零部件的生產(chǎn)應(yīng)用上。這方面國外的探索、應(yīng)用較國內(nèi)要較早一些，應(yīng)用也更多一些，為金屬基復(fù)合材料在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。早在20世紀(jì)的80年代，美國著名的武器制造公司洛克希德·馬丁公司就開始探索將DWA復(fù)合材料公司生產(chǎn)的25%的SiCp/6061Al復(fù)合材料作為飛機(jī)上承放電子設(shè)備的支架來使用，被認(rèn)為是最早的金屬基復(fù)合材料應(yīng)用案例。由于傳統(tǒng)的鋁合金材料在飛機(jī)扭轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)引發(fā)的力載荷作用下會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形，進(jìn)而影響到飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的安全；這也使得最近幾年，以顆粒增強(qiáng)鋁為代表的金屬基復(fù)合材料開始在飛機(jī)上作為主承載結(jié)構(gòu)件使用。

在美國國防部“Title”項(xiàng)目的大力支持下，DWA復(fù)合材料公司與洛克希德·馬丁公司及空軍軍方合作，應(yīng)用粉末冶金法成功制備了碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并大膽嘗試用作F-16戰(zhàn)斗機(jī)的腹鰭材料，完全替代替了原有的鋁合金蒙皮材料，不僅將剛度提高了50%，有效保證了飛行安全性，也將使壽命由原來的數(shù)百小時(shí)提高到全壽命8 000 h以上，大大延長了飛機(jī)及相關(guān)零部件的使用壽命。鑒于良好的應(yīng)用效果，美國空軍軍方正準(zhǔn)備將這種鋁基復(fù)合材料腹鰭作為現(xiàn)役F-16戰(zhàn)斗機(jī)的備用件，逐步進(jìn)行全面更換。美國空軍后勤中心就鋁基復(fù)合材料應(yīng)用的評(píng)估結(jié)果表明：鋁基復(fù)合材料腹鰭可以大幅減少設(shè)備的檢修次數(shù)，全壽命周期內(nèi)可以節(jié)約檢修費(fèi)用2 600萬美元以上，更重要的是可以大大提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性、安全性。

美國除在F-16戰(zhàn)斗機(jī)中嘗試使用鋁基復(fù)合材料外，F(xiàn)-18（大黃蜂）戰(zhàn)斗機(jī)上的液壓制動(dòng)器缸體使用的則是碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁青銅材料，不僅使機(jī)體重量得到明顯減輕、有效降低缸體的熱膨脹系數(shù)，最重要的是使缸體的疲勞極限成功提高了一倍。金屬基復(fù)合材料在直升機(jī)應(yīng)用方面，歐洲國家率先取得進(jìn)展，由英國航天金屬基復(fù)合材料公司生產(chǎn)制造的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，被用作直升機(jī)旋翼系統(tǒng)連接用模鍛件，已在歐直公司生產(chǎn)的N4和EC-120新型直升機(jī)上成功應(yīng)用；應(yīng)用效果較傳統(tǒng)鋁合金相比，構(gòu)件剛度有了30%左右的提高，與鈦合金相比，構(gòu)件重量則下降了1/4。最值得關(guān)注的是，從上個(gè)世紀(jì)九十年代末，碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料開始嘗試在大型客機(jī)上應(yīng)用；如：普惠公司從PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)開始，將以DWA公司生產(chǎn)的擠壓態(tài)碳化硅顆粒增強(qiáng)變形鋁合金基復(fù)合材料用作生產(chǎn)風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片，并用于所有采用PW4000系發(fā)動(dòng)機(jī)的波音777飛機(jī)上。

近十年來，美國、加拿大等國家開始秘密研制了不少的金屬基復(fù)合材料，以輕金屬基復(fù)合裝甲材料研究為重點(diǎn)，成功研制與應(yīng)用了鋁基、鈦基復(fù)合材料；比如，美國空軍C-130運(yùn)輸機(jī)的防護(hù)裝甲使用的就是金屬基復(fù)合材料。另外，美國還成功的將金屬基復(fù)合材料與陶瓷材料進(jìn)行了很好結(jié)合，將金屬良好的韌性、延展性、容易成形和強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)與陶瓷的高硬度、耐燒蝕和重量輕等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，形成了一種嶄新的金屬-陶瓷基復(fù)合材料；二者的結(jié)合既克服了傳統(tǒng)陶瓷的脆性和不能抗彈丸多次打擊的弱點(diǎn)，也成功彌補(bǔ)了金屬硬度不夠和較重的缺點(diǎn)；陶瓷作為增強(qiáng)物之一，為獲得不同抗彈性能含量保持在30%～80%不等，該新型復(fù)合材料被多次用于制造飛機(jī)等防彈裝甲。

3 金屬基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的研究與應(yīng)用趨勢(shì)

當(dāng)前，金屬基復(fù)合材料作為一種新型材料，雖然在性能和應(yīng)用水平上都有了很大的程度的提升，但就其結(jié)構(gòu)和功能而言還是相對(duì)比較簡單，還不能完全滿足高科技發(fā)展對(duì)金屬基復(fù)合材料的高性能、多功能要求；因此，必須進(jìn)一步改進(jìn)金屬基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化與改進(jìn)金屬基復(fù)合材料的各項(xiàng)功能和性能。下面筆者就金屬基復(fù)合材料未來研究與改進(jìn)的重點(diǎn)，提出幾點(diǎn)建議，旨在促進(jìn)金屬基復(fù)合材料應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的更好發(fā)展。

3.1 從結(jié)構(gòu)優(yōu)化上改進(jìn)金屬基復(fù)合材料的性能

金屬基復(fù)合材料的各項(xiàng)性能不僅取決于基體、增強(qiáng)體的種類和配比，還取決于增強(qiáng)體、基體的空間配置模式，即人們通常所說的結(jié)構(gòu)；可以考慮從以下幾個(gè)方面來優(yōu)化金屬基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)金屬基復(fù)合材料性能的改進(jìn)。第一，采用多元復(fù)合強(qiáng)化法優(yōu)化金屬基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)；即通過引入不同種類、形態(tài)、尺度的增強(qiáng)相，借助于增強(qiáng)體本身多元的物性參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高性能的目的。第二，合理利用復(fù)合材料強(qiáng)度與韌性/塑性之間的倒置影響關(guān)系；將增強(qiáng)體含量控制在合理配比范圍內(nèi)，以便獲得最佳使用要求的強(qiáng)度、韌性和塑性。第三，強(qiáng)化層狀金屬基復(fù)合材料研究；金屬基復(fù)合材料層狀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，是指從微米尺度上，通過增強(qiáng)微疊層來補(bǔ)償單層材料某些性能上的不足，以此達(dá)到滿足某種特殊性能需求的目的，如：耐高溫、強(qiáng)硬度、強(qiáng)隔熱，等。 第四，加強(qiáng)泡沫金屬基復(fù)合材料研究與應(yīng)用；泡沫金屬基復(fù)合材料，俗稱多孔金屬泡沫，其是最近幾年發(fā)展成熟起來的一種結(jié)構(gòu)功能材料，具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、減振、吸音、阻尼、散熱、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能與優(yōu)點(diǎn)，是交通、建筑及航空航天等領(lǐng)域未來研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。

3.2 用碳納米管增強(qiáng)金屬基納米復(fù)合材料性能

在金屬基體中引入均勻彌散的納米級(jí)增強(qiáng)體粒子，所得的復(fù)合材料往往可以呈現(xiàn)出更加理想的力學(xué)性能和導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐磨、耐蝕、耐高溫及抗氧化性能。未來可以考慮將金屬基納米復(fù)合材料研究的重點(diǎn)放在納米結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用和納米涂層生產(chǎn)上。以碳納米管應(yīng)用為例，由于其具有優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能，是制備金屬基復(fù)合材料較為理想的增強(qiáng)體，隨著碳納米管制備水平提高及其成本價(jià)格走低，碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料定是未來研究的熱點(diǎn)，也是世界各國復(fù)合材料研究領(lǐng)域競(jìng)相爭(zhēng)奪的技術(shù)制高點(diǎn)。因此，有必要通過加強(qiáng)碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究，來縮短我國與世界發(fā)達(dá)國家在金屬基復(fù)合材料研究方面的差距。

3.3 促進(jìn)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化發(fā)展

伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用需求越來越廣，對(duì)金屬基復(fù)合材料也不再僅僅局限于其某些優(yōu)良的機(jī)械性能，對(duì)其在多場(chǎng)合服役條件下具有的結(jié)構(gòu)、功能一體化和多功能響應(yīng)特性等要求越來越高。為了強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料的這種結(jié)構(gòu)功能一體化和多功能響應(yīng)特性，通過在金屬基體中引入的特定的顆粒、晶須或者纖維等異質(zhì)材料，一方面可以作為增強(qiáng)體提高金屬材料的機(jī)械性能，另一方面也可以賦予金屬材料本身所不具備的某此物理、功能特性。比如，用高熱導(dǎo)率的金剛石、高定向熱解石墨等作增強(qiáng)相，與銅、鋁等高導(dǎo)熱金屬復(fù)合，可以獲得高導(dǎo)熱率、低膨脹率和低密度的理想金屬基復(fù)合材料，可以在溫度變化場(chǎng)合使用且能夠保持尺寸的穩(wěn)定性，在航空航天結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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