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碳纤维增强铝基复合材料国内外发展水平及应用现状
文章来源 : 中国玻璃纤维复合材料信息网 发布时间 : 2018-05-22 浏览量 :

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  背 景
  近年来,随着汽车工业、航空宇航、电子通讯技术的飞速发展,要求作为这些行业基础的材料除具有高强度、高模量、耐高温等基础性能外,还对材料的比重、韧性、耐磨、耐蚀、光电等性能提出了更多种要求。
  对于单一材料来说往往不能很好地满足诸多性能的要求,就需要把不同性能的材料组合起来,制备成复合材料,使材料间取长补短。复合材料是用经过选择的、含一定数量比的两种及两种以上组分或组元,通过人工复合,组成多相、三维结合且各相之间有明确界面的,具有特殊性能的材料。复合材料的优点是材料的性能具有可设计性,材料的设计自由度高,所以发展迅猛。 
  金属基复合材料(metal Matrix Composites,简称MMCs)除了具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等特点外,还有能耐更高温度、防燃、横向强度和刚度高、不吸潮、高导热与导电率,抗辐射性能好、在使用时不放出气体等优点,显示了树脂基复合材料不可比拟的特点,因此得到了国内外研究者的高度重视,尤其是受到航空航天部门的青睐。
  碳纤维增强金属基复合材料具有很高的比强度和比模量,是航空航天等对构件质量要求苛刻的高技术领域理想的结构材料。近年来,伴随着高性能碳纤维的出现,以及因产量扩大而成本降低,对碳纤维增强铝基复合材料的制备及应用受到广泛重视。 
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  碳纤维增强铝基复合材料
  1) 碳纤维
  碳纤维是一种碳含量超过90%的纤维状碳材料,碳纤维同时具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。常用的碳纤维按原丝来源可分为粘胶纤维、PAN基(聚丙烯腈)纤维和沥青纤维。粘胶纤维的强度低、杨氏模量也低,但是由于成本低,仍然用于某些复合材料的制造。PAN基碳纤维性能较好,但价格较高,主要用于对性能要求极高的航空航天领域。沥青类碳纤维与PAN基碳纤维相比,具有一定的价格优势,在汽车、机械电子等领域显示出较好的应用前景。
  2)碳纤维增强铝基复合材料
  近年来在金属基复合材料领域,铝基复合材料的发展尤为迅速。这不仅因为它具有一系列优点,而且因为在世界范围内有丰富的资源,加之可用常规设备和工艺加工成型和处理,因而制备和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济,易于推广和应用。
  目前,制备Cf/Al复合材料的基体铝合金主要选用Al-Mg-Si系和Al-Cu-Mg系等可热处理强化的合金。最新应用的防锈铝LF6,系镁含量高的Al—Mg合金,可焊性、抗蚀性良好,强度中低,冷变形可提高强度,适于制造中载构件,液体容器、管道等零件。
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  Cf/Al复合材料的制备工艺
  碳纤维增强铝基复合材料的制造方法主要有:
  1)熔融浸润法
  用液态铝及铝合金浸润纤维束,使每根纤维被熔融金属润湿后除去多余的金属而得到复合丝,再经挤压而制得复合材料。其缺点是熔融铝及铝合金可能会对纤维性能造成损伤。
  2)挤压铸造法
  使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔,压力一直施加到凝固结束,使金属液态到凝固均处于高压下。挤压铸造法因高压改善了金属熔体的浸润性,所制得复合材料的增强纤维与铝及铝合金间的反应小,没有空隙和缩孔等常规铸造缺陷。
  3)扩散粘结法
  铝箔与经表面处理后浸润铝液的碳纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层,在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘结成型以得到铝基复合材料的制造方法。
  4)粉末冶金法
  采用等离子喷溅法在排列好的增强纤维上喷涂金属铝粉,或把金属铝粉分散在丙烯酸树脂进行涂敷,制成预制板,将其交替重叠后在真空或氩气中,在接近铝熔点温度下加压烧结以获得纤维增强铝基复合材料。
  5)真空压力浸渗法
  采用真空压力浸渍法时,先将放入模具内的增强预成型体抽真空,然后施加压力将熔融的金属液体压入模具内复合,冷却后得到制件。
  该方法虽然存在设备昂贵及工件尺寸有限的缺点,但对小型制件而言,却有不少可取之处,因为除了有增强体的范围大、制品质量好的优点外,还可以实现近似无余量成型,特别适合于复杂精密的制件。
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  真空压力浸渗的工艺参数
  Cf/Al复合材料的真空压力浸渗工艺参数主要有以下几种:
  1)浸渗温度
  浸渗温度,是真空压力浸渗工艺中重要的工艺参数。整个制备过程中,对温度的选择,决定了材料成型后,纤维的界面反应情况。如果浸渗温度过高,容易造成纤维与基体的高温界面反应,生成大量的界面反应物Al4C3脆性相,基体与增强体界面结合过强;浸渗温度过低,界面反应虽然有所减缓,但是铝熔液在浸渗过程中会快速冷却到铝凝固点以下,导致材料复合失败。
  2)浸渗压力
  浸渗压力是真空压力浸渗工艺中另外一个重要的工艺参数,浸渗压力决定了金属浸渗纤维预制块的过程,并影响最终复合材料的致密度。
  3)真空度
  材料制备过程的真空度,决定了最终复合材料中增强体纤维的氧化受损程度,对复合材料的最终性能具有重要意义。
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  铝基复合材料国内外发展水平
  1)国外铝基复合材料发展水平
  铝基复合材料的研究开始于20世纪50年代,近20年来无论从理论上还是技术上都取得了较大进步。各国在研发上都投入了大量的人力物力,它是金属基复合材料中被研究多的和主要的复合材料。目前开发的铝基复合材料主要有SiC/Al、B/Al、BC/A1、Al2O3/Al等,其中,B/Al复合材料发展快,目前美国能制造2m以上的各种B/Al型材、管材等,这些材料用于航空器上,可使质量减轻20%。铝基复合材料已经广泛用于制造歼灭机、直升机等大飞机的机翼、方向舵、襟翼、机身及蒙皮等部件。美国麦道公司在F-15战斗机上使用1.8——2.25t纤维增强铝基复合材料(FRM),使战斗机质量减轻2%。前苏联航空材料研究所把硼纤维增强铝基复合材料用于安-28、安-72型飞机机体结构上,在提高可靠性的同时,零件质量减轻25%——40%。但长期以来,由于铝基复合材料还存在着制备工艺复杂,对环境和设备要求严格,成本很高等缺点,因此,其应用还不普遍。
  采用粉末冶金生产颗粒增强铝基复合材料的厂家主要有3大公司:美国的DWA Aluminum Composite、Alyn公司和英国的Aerospace metal Composites(AMC)公司。这些公司已经具备规模生产能力和丰富的产品规格。DWA铝基复合材料公司的主要产品为以6092、2009和6063为基体,SiC颗粒为增强体的复合材料。6092/SiC为其早期的产品系列,主要有板材和挤压型材。
  航空应用实例是20世纪80年代美国洛克希德·马丁公司将25%SiCP/6061A1复合材料用以制作承放仪器的支架,其比刚度较7075铝合金高65%。20世纪90年代末,碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得大量应用。普惠公司从PW4084发动机开始,采用DWA公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变形铝合金基复合材料(6092/SIC/17.5p—T6)制作风扇出口导流叶片,用于采用PW4000系列发动机的波音777客机上。
  颗粒增强铝基复合材料耐冲击能力比树脂基复合材料强,抗冲蚀能力是树脂基复合材料的7倍,且容易发现各种损伤,并使成本下降1/3以上。
  日本丰田公司首次成功地用A12O3/A1复合材料制备发动机的活塞,重量减轻了5%——10%,导热性提高4倍左右。连杆是汽车发动机中第2个成功地应用金属基复合材料的零部件。日本Mazda公司制造的Al2O3/A1合金复合材料连杆,比钢质连杆轻35%,抗拉强度和疲劳强度高,分别为560MPa和392MPa;而且线性膨胀系数小。
  2)国内铝基复合材料技术发展水平
  我国较全面地开展了铝基复合材料方面的研究工作,包括纤维增强、颗粒增强、层压复合、喷射沉积和原位生成等方面的研究,取得了进展,正走向实用。在国内,采用压力铸造高含量SiCp/A1复合材料制作基座替代W-Cu基座、封装微波功率器件,有望在封装领域大量替代W-Cu、Mo-Cu等材料。
  在强化机制与制备加工研究基础上,铝基复合材料的研制水平逐渐成熟。举例来说,我国20世纪90年代以前的铝基复合材料塑韧性与成型加工一直没有获得突破,因此应用受到局限。通过多年研究积累,“十五”期间我国在铝基复合材料性能与研制能力方面获得重要突破,尽管落后于国外,但几种典型铝基复合材料(如SiC/A1,A12O3/A1)正逐渐获得航空航天、交通运输及电子仪表等领域的认可。今后,随着研究水平稳步提高以及新型复合材料的研发,铝基复合材料将有望在许多领域得到应用。
  近年来,一种具有高强度、超强耐磨、抗腐蚀性能好,可以广泛用于航空航天制造和汽车机械业的新型材料——颗粒增强SiCp铝基复合材料,在中铝山东分公司研发成功。这种新型铝基复合材料其密度仅为钢的1/3,但比强度比纯铝和中碳钢都高,具有较强的耐磨性,可以在300——350℃的高温下稳定工作,因而被美国、日本和德国等发达国家广泛应用于汽车发动机活塞、齿轮箱、飞机起落架、高速列车以及精密仪器的制造等,并形成市场化的生产规模。目前,国际市场价格为3万美元/t。由于利用该材料生产终端产品的铸造工艺及其深加工关键工艺不成熟,目前国内尚无企业进行规模化生产。该材料的研发成功,不仅填补了我国铝基复合材料规模化生产的空白,而且有望打破我国长期依赖进口的局面。
  纵观国内外,对铝基复合材料的应用研究方面,主要集中在SiC颗粒增强铝基复合材料,并且取得很大的成就。少数国家(如美国、日本和加拿大等)已进入应用阶段,取得了显著的经济效益。我国在该领域的研究起步较晚,大多数仍处于实验室阶段,而且研究的深度和广度也很有限,工业上的研究才刚刚开始。铝基复合材料以其优良的性能,问世以来在汽车工业、航空航天、电子、军工和体育等许多领域得到广泛的应用。制约其发展的关键因素(如工艺复杂、成本高)等问题正逐步得到消除,许多国家已建立了工业规模生产铝基复合材料的工厂,相信在不久的将来,铝基复合材料的制造工艺会更简单,成本会更低,使用范围会更广。
  3)铝基复合材料应用领域分析
  颗粒增强铝基复合材料和纤维增强铝基复合材料已经进入商品化应用阶段。
  1、在交通运输工具中的应用
  交通运输工具始终是铝基复合材料重要的民用领域之一。考虑到成本以及产业化应用等相关因素,连续纤维增强铝基复合材料以及成本偏高的非连续增强铝基复合材料就被排除在这一领域之外,廉价的颗粒及短纤维增强铝基复合材料尚有大规模应用的可能。
  铝基复合材料在汽车工业的研究起步较早。20世纪80年代,日本丰田公司就已经用硅酸铝纤维增强铝基复合材料,成功地制造了汽车发动机活塞抗磨环和汽车连杆等汽车零部件。美国的Duralean公司研制出用SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,使其质量减轻了40%——60%,而且提高了耐磨性能,噪声明显减小,摩擦散热快;同时该公司还用SiC颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件。这种汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、良好的耐高温性能和抗咬合性能,同时热膨胀系数更小,导热性更好。用SiCp/Al复合材料制成的汽车齿轮箱,在强度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的提高。铝合金复合材料也可以用来制造刹车转子、刹车活塞、刹车垫板和卡钳等刹车系统元件,还可用来制造汽车驱动轴和摇臂等汽车零件。上海交通大学及兵器科学研究院等单位,也针对铝基复合材料在汽车上的应用方面进行了大量的实践工作。
  2、在航空航天领域的应用
  铝基复合材料的发展使得现代航空航天领域制造轻便灵活、性能优良的飞机和卫星等成为可能。Cereast公司采用熔模铸造工艺研制成20%Vo1+A357SIC复合材料,用该材料代替钛合金制造直径达180mm、质量为17.3kg的飞机摄像镜方向架,使其成本和质量明显降低,导热性提高。同时该复合材料还可以用来制造卫星反动轮和方向架的支撑架。美国DWA公司用25%SiCp/6061铝基复合材料代替7075制造航空结构的导槽、角材,使其密度下降了17%,模量提高了65%。铸造SiC颗粒增强A356和A357复合材料可以制造飞机液压管、直升机的起落架和阀体等。
  铝基复合材料由于自身的一些特殊优点,在航空、航天和军事部门备受青睐,应用十分广泛。例如,DWC特种复合材料公司制造的Cr/A 1复合材料应用于NASA公司的卫星导波管上,其导电性好,热胀系数小,比原来使用的石墨/环氧树脂导波管要轻30%左右。俄罗斯航空材料研究所将B/Al复合材料用于安-28飞机的机体结构上,零件质量减少25%左右。此外,A1基复合材料还用于制造光学和电子零件,美国亚利桑那大学研制了一种超轻空间望远镜,采用SiC/A1复合材料制造行架、支架和副镜等,使质量大大减轻。美国DWA公司和英国AMC公司将SiC/Al批量用于EC-120和EC-135直升机旋翼系统,大幅提高构件刚度和寿命。这些关键结构件的成功应用说明美国和英国对这种材料的应用研究已相当成熟。
  SiC颗粒增强的铝基复合材料薄板未来将应用于先进战斗机的蒙皮以及机尾的加强筋,美国航天航空局采用石墨/铝复合材料作为航天飞机中部长20m的货舱架。
  3、在兵器武装中的应用
  近10年来,纤维价格的降低和挤压铸造、真空吸铸及真空压渗等复合工艺的出现,使复合材料有可能用于大批量的常规兵器中。纤维增强铝基复合材料因其良好的综合性能,在兵器中的应用已越来越广,各先进国家投入了大量研究工作,试制了发动机中的连杆、活塞、战术发动机壳体、制导舵板、战斗部支撑架、军用作战桥梁的拉力弦、架桥坦克桥体和长杆式穿甲弹弹托等。美国陆军早在20世纪70年代末期就对Al2O3/A206复合材料制造履带板进行了研究,通过采用复合材料制造履带板可使其质量从铸钢的544——680kg下降到272——362kg,减轻近50%。美国海军地面武器中心把SiC/A1复合材料用于船舶结构体和舱板,还打算将这种材料用于多种水下工程以及鱼雷、水雷的外壳。用碳化硅纤维增强铝合金复合材料制成的跨度为30m的舟桥,质量只有5t,刚度比铝合金的高30%。随着价格和技术问题的不断解决,此类材料在兵器领域中的应用将会更加广阔。
  4、在电子和光学仪器中的应用
  铝基复合材料,特别是SiC增强铝基复合材料,由于具有热膨胀系数小、密度低及导热性能好等优点,适合于制造电子器材的衬装材料及散热片等电子器件。SiC颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数完全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配,而且导电、导热性能也非常好。
  在精密仪器和光学仪器的应用研究方面,铝基复合材料用于制造望远镜的支架和副镜等部件。另外,铝基复合材料还可以制造惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器和光学仪器。
  在电子封装领域中应用。自20世纪90年代以来,发达国家的一些公司大力发展用于电子封装的高含量SiCp/Al复合材料。研制电子器件封装用高导热、低热膨胀金属基复合材料是新材料的研究发展动态之一。美国已研制成功SiCp/Al、Sip/Al、C/Al等高性能电子封装用复合材料,成为解决电子器件迅速传热和散热问题的关键。研制的电子封装复合材料是SiCp含量为60%——75%的铝基复合材料。
  5、其他应用
  (1)低膨胀铝基复合材料在星载大功率多工器中的应用。
  (2)在核工业中的应用。B4C具有吸收中子的特性,因此B4C颗粒增强铝基复合材料在核废料存贮方面有良好的应用前景。DWA公司采用41%B4Cp/Al复合材料制作核废料干法存贮桶,已经取得了规模应用。
  (3)复合材料电线。Electri Plast材料有着广泛的市场前景,在航空航天领域,有望应用于电线电缆和除冰系统。因为该材料的平均质量比铜轻20%,数英里长度的电缆质量可减轻数吨。
  (4)纳微米混杂增强铝基复合材料及其应用。
  该材料可广泛推广应用在民用和军用机动车辆发动机活塞、缸体、缸盖、摇臂、刹车盘、轮箍、履带板、轻型装甲板以及高稳定性光电仪器和精密仪器仪表零部件制造上,也可在船舶、航空和电子器件上应用。目前,运用该材料生产的军用高功率增压柴油机活塞已通过了发动机800h台架试验和1.0×104km跑车试验,其综合性能优于德国马勒公司产品,完全达到进口活塞的材质要求。
  (5)石墨纤维增强铝基复合材料在空间遥感器镜筒结构中的应用。
  20世纪60年代,美国就采用B/Al复合材料管材制造航天飞机轨道器主骨架,较原设计的铝合金框架减重45%。采用42.2%P100石墨纤维增强6061铝制成的哈勃太空望远镜天线悬架是石墨纤维增强铝基复合材料在航天器上的典型应用。
  加拿大航天局分别应用碳化硅增强铝基复合材料和铍铝合金制成的超轻激光扫描镜将用于新一代的空间视觉系统(Space Vision System)。其他多种复合材料在卫星的展开式天线和空间相机的反射镜上也有所应用。
  北京空间机电研究所曾经采用非连续碳化硅增强铝基复合材料(SiCp/Al)制造空间相机的镜盒和镜身。北京航空材料研究院采用无压浸渗复合方法制备了用作空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料。另外,多种树脂基碳纤维复合材料还被用来制造空间相机的遮光罩、镜筒和底板。
  (6)纤维增强铝基复合材料在输电导线中的应用。
  连续氧化铝纤维增强铝基复合芯输电导线以其重量轻、强度大、蠕变小及线膨胀系数小等优点,逐渐被研究人员重视。连续氧化铝纤维增强铝基复合材料是首次应用于输电导线,作为导线的承力部分。
  铝基复合材料具有的特性使其在民用领域中得到较为广泛的应用。日本丰田公司1983年首次成功地用Al2O3/Al复合材料制备了发动机活塞,与原来的铸铁发动机活塞相比,质量减轻了5%——10%,热导性提高了4倍。
  铝基复合材料在制造自行车、医疗器具及运动器械等其他高性能要求的零部件中也得到广泛应用,如电子封装复合材料、计算机光盘及汽车刹车盘等,促进这些工业成为新的经济增长点。其作为功能材料,可望在机械、冶金及建材等工业部门得到更广泛的应用。
  06
  铝基复合材料应用前景
  碳纤维增强铝基复合材料具有高强度和高模量,其密度小于铝合金,模量却比铝合金高2~4倍,因此用复合材料制成的构件具有质量轻、刚性好、可用最小的壁厚做成结构稳定的构件,提高设备容量和装载能力,可用于航天飞机、人造卫星、高性能飞机等方面。以飞机质量为例,飞机机身质量约占起飞质量的50%,燃料占25%,只有25%留作负载。如果将轻量且高强度的Cf/Al复合材料用于飞机的制造,只要使其质量减少10%,那么有效负载就增加20%。作为经济高效的飞机结构件减重增效的途径,Cf/Al复合材料在飞机结构件上的应用正趋扩大。
  用Cf/Al复合材料制成的导航系统和航天天线,可有效地提高其精度;用碳纤维增强铝基复合材料制成的卫星抛物面天线骨架,热膨胀系数低、导热性好,可在较大温度范围内保持其尺寸稳定,使卫星抛物面天线的增益效率提高4倍,同时还显着减轻了结构的质量。
  随着研究探索的深入,除了在宇航、航空和兵器中得到应用,在民用工业中的应用也日渐增多,广泛地应用于飞机构件、汽车发动机零件、滑动部件、计算机集成电路的封装材料以及电子设备的基板等方面。
  近年来,碳纤维增强铝基复合材料的发展特别迅速,因为在世界范围有丰富的铝资源和高性能碳纤维的出现及碳纤维成本的降低,所以纤维增强铝基复合材料的制备和加工比其它金属基复合材料更为经济,易于推广和应用,受到人们的普遍重视。
  Cf/Al复合材料的成本主要来自原材料和制备带来的成本,在航天飞行器中,所使用的材料每降低一公斤,发射成本就降低1万美元。因此,只要进一步地降低其研究费用、提高其价格/性能比,高比强的Cf/Al复合材料将具有非常广阔的前景。

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