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1
题
目：金属基复合材料在航空领域的应用与发展
学
院：
化学与化工
专业及班级：
无机 121
年
级：
2012 级
年
级：
2012 级
学生姓名：
严红梅
学生姓名：
严红梅
学
号：
1208110439
学
号：
1208110439
教
师：
张
煜
2014
年
12 月
9
日 材料表面与界面
2
金属基复合材料在航空领域的应用与发展
严红梅
（ 贵州大学
无机 121 班）
【摘要】：介绍了金属基复合材料的构成、分类，以及性能特点分析了铝合金和钛合金复合材料的性能。讨论了金属基复合材料在航天器结构材料、热管理系统、电子封装、惯性器件、光学仪器和液体发动机中的典型应用。
【关键字】
复合材料，金属基，性能，应用。
引言 金属基复合材料（简称 MMC）是以金属、合金或金属间互化物为基体、用各类增强相进行增强的复合材料。它是复合材料的一个分支。近代科学高新技术的迅速发展，特别是航空和航天应用技术的发展，对材料的要求越来越高。除了要求材料具有高强度、高模量、耐辐射、低热胀、低密度、可加工性外，还对材料的韧性、耐磨、耐腐蚀及抗蠕变等理化性能提出种种特殊要求，这对单一的某种材料来说是很难都具备的。必须采用复合技术，把一些不同的材料复合起来，取其所长来满足这些性能要求。金属基复合材料就是在这样的前提下产生的。这些年来 MMC 得到了广泛关注，并在航空和航天工程中取得了应用的成果。据美国航天局预测：金属基复合材料将成为本世纪空间战、卫星和空间飞行器的主要结构材料[1]。
正文 1 金属基复合材料的分类
MMC 通常按增强相形态分为连续纤维增强 MMC 和非连续增强（颗粒、晶须、短切纤维）MMC 两大类，最常用的增强纤维为碳纤维（Gr）、硼纤维、碳化硅（SiC）纤维、氧化铝（Al2O3）纤维。晶须和颗粒增强体有碳化硅、氧化铝、碳化钛（TiC）、氮化硅（Si3N4）等。MMC 也可以按金属基体类型分类，分为铝基、镁基、铜基、钛基、钛铝互化物基等 MMC。其中铝基镁基 MMC 使用温度在 450℃以下、钛基和钛铝互化物基 MMC 使用温度 450～700℃，镍基钴基 MMC 可在 1200℃下使用。铝基 MMC 是各国开发的重点，我国亦已列入相关计划。
连续纤维增强 MMC 中由于纤维是主要承力组元，而且这些纤维在高温下强度很少下降，因此 具有很高的比强度和比刚度，在单向增强情况下具有很强的各向异性。其中连续纤维增强钛合金基复合材料，已成为竞争力很强的高温结构材料。由于制造工艺复杂，且有些长纤维（如硼纤维）价格十分昂贵，基体仍起到主要作用，其强度与基体相近，但刚度、耐磨性、高温性能、热物理性能明显增强，制造工艺也相对简单，技术难度较小，可以在现有冶金加工设
3备基础上工业化生产，成本较低。例如，非连续纤维增强的铝基复合材料开发已比较普遍，但它的增强作用也主要是体现在重量的降低和刚度的提高。
2 金属基复合材料的性能特点
金属基复合材料集高比模量、高比强度、优良导热和导电性、优良尺寸稳定性和耐高温性能于一体，是近年来复合材料研究的热点。其具体性能取决于所选金属基体和增强材料的特性、含量和分布。
比强度和比模量
基体和增强相的直接增强和基体组织变化产生的间接增强，显著地增强了材料的强度和刚性。在金属基体中加入体积份数 30～50%增强材料后，材料强度和模量就会有显著增大。和未增强金属材料的性能比较
导热性和导电性
由于金属基体在 MMC 中含量通常很高，体积份数一般为 50～70%，因此它仍旧保持金属材料所具有的良好导热和导电性。采用高导热性增强材料（如超高模量碳纤维）增强后复合材料导热率有时比纯金属还高，因此非常适合制作集成电路底板和封装件，将电子部件的热迅速散发出去。优良的导电性能，使它具有其它类型复合材料缺乏的波导功能。
尺寸稳定性
许多增强材料既具有很小的热膨胀系数（甚至是负值热膨胀系数），同时又具有很高的模量用这些材料增强的 MMC 可以使热膨胀系数明显下降，并且达到很高的模量，因此十分有利于航天部件在大幅度温度交变环境中，保持良好的尺寸稳定性，使部件实现高精度，高效率。
耐高温性能
MMC 高温性能通常优于金属材料，特别是在连续纤维增强时，由于纤维起主要承载作用，很多增强纤维在高温下强度很少下降，因此许多 MMC 的高温力学性能可保持到金属熔点，这和普通金属材料（如铝合金、钛合金）随着温度升高，强度迅速下降的特点形成鲜明对比。
可焊接性
MMC 可以采用传统的电弧焊（如气体保护焊）进行焊接，这是它和其它类复合材料加工性的显著区别。其焊接性能和基体合金类似，主要区别在于其熔池具有很高的粘度，在焊接横截面大的零件时，熔池的高粘度会阻碍零件焊透，因此必须开焊接坡口。MMC 的可焊性不仅可以用来连接结构件，而且用来补焊和修复铸件缺陷，使 MMC 具有更好的可加工性。
43 在航天器上的应 用
由于金属基复合材料强度、刚度、疲劳性能、热性能等良好的性质，在过去 30 年中已经受到了航天应用领域极大的关注。正如在参考文献中描述的，航空航天工业需要减轻太空推进系统和航天结构重量，金属基复合材料可提供一些潜在的优点来达到这个目的。此外，这种材料还经常伴随着良好的热传导性和低密度等特性，因此具有了高比强度和比刚度，低热膨胀系数(CTE)等优点，并且有可能根据特定应用要求来设计其性能。由于这些吸引人的性质，金属基复合材料已经被用在一些重要的航天应用中，包括航天飞机轨道器的结构管件、哈勃太空望远镜的天线波导竿，通讯卫星装置中的热管理。
结构材料
MMC 用作航天器结构材料，具有超过聚合物基复合材料的一系列性能优点（耐高温能力，老化性能、出气量、抗辐射和抗原子氧、抗热冲击、导热率、尺寸稳定性、表面缺陷敏感性等）。从上世纪 80 年代以来的一系列应用已经充分展示了它的效益。然而由于成本原因，直到现在它的应用仍限定在较小范围内。
MMC 在航天中的最早应用是美国航天飞机，它的轨道器中段机身主隔框、翼肋桁架、框架稳定支柱、前起落架、制动拉杆支柱，共使用了 243 根 B/Al 复合材料管形支撑件，用体积含量 60%的单向硼纤维增强铝制成，纤维方向平行于外加载荷方向，刚度好，比铝合金减重 145kg，质量比铝合金轻 45%，效益十分显著（见图 11）。继后前苏联开发的“暴风雪”号航天飞机的卫星支架，也采用了 B/Al 管材焊接而成的桁架结构，轮廓尺寸 3m×3m，可同时放置三颗卫星。所用的硼纤维直径 1400µm，在钨芯上用气相沉积法制成，断裂强度 3500MPa、弹性模量 400MPa。制成的复合材料桁架重 100kg，比钛合金轻 50～60kg，在性能方面和美国大体相当。
MMC 用作航天器天线、太阳电池阵桁架等结构也取得了成功。美国的哈勃太空望远镜的高增益天线杆结构，需要非常高的轴向刚度和极低的热膨胀系数，以保障反复出入太阳直射条件下保持尺寸稳定性。它采用 P100 超高模量碳纤维（体积分数 40%）增韧的铝 6061 基 MMC，采用扩散粘结工艺制造。杆长 3.66m，杆全长的尺寸偏差仅±0.15mm，确保了太空机动飞行时天线的方位。另外它还由于具有良好的导电性能，从而提供了波导功能，保障了航天器和天线反射器之间的电信号传输，整个部件比碳/环氧材料轻 63%。为先进太阳电池阵展开机构研制的非连续增强 复合材料可折叠大梁、中空长螺杆、特形螺母、导向摇臂，是 MMC 在航天器中的一个重要应用尝试。4.2 热管理系统和电子封装
火箭和卫星热管理系统是 MMC 的另一项重要应用，包括计算机芯片基片、大功率半导体设备和远程通信的微波元件封装。这类应用要求封装材料热导率在 4～7×10-6/K 范围
5内，以保证和半导体材料及陶瓷基片的热导率匹配。非连续增强 SiC（体积份数≥50%）/Al 基复合材料具有优异的匹配性。已成为当前最佳的热管理材料。从 90 年代起已在一系列先进航天器上正式应用。如美国“摩托罗拉”公司的“铱星”，“全球定位系统”（GPS）“火星探路者”和“卡西尼”深空探测器等，取代以前采用的高密度低导热率 Cu/W 合金后，重量减轻约 80%，无论是军事效率，还是经济效益和社会效益都十分可观。
MMC 本身不会漏气，而且可用焊接的连接工艺确保连续处密封，这为制成密封舱体提供了先决条件，并在电源半导体封装、微波模型上得到应用。DSCS-III 军事通信卫星等，使用了超过 23kg 的镍基复合材料用于微波封装。已研发生产的石墨颗粒增韧的铝复合材料，除了具有高的比导热率外，热膨胀系数明显降低，且各向同性，将使不连续增韧铝复合材料电子封装在太空应用中继续得到发展。
液体火箭发动机
采用 MMC 对于减轻液体火箭发动机重量和降低成本都具有显著作用，目前已受到各国重视。美国国防部和航空航天局联合提出的一项为时 15 年的改进航天推进系统性能的（IHPRPT）中，提出要使液体发动机推重比提高 60%，成本降低 20%。采用 MMC 是其重要措施之一，已开展了一系列研制和演示试验。重点是下列三类部件用的铝基复合材料。
第一类是在中温下有很高刚度的部件，如法兰盘、推力室、夹套、支承结构，模量>220GPa， 目前使用的是 Ni 基超级合金；第二类是较高温度下工作（≯260℃）的部件，如涡轮转和定子、外壳、高温推进剂管线等。单级泵材料强度要求为 862MPa，目前为 Ni 基超级合金；第三类是低温推进剂泵部件，包括泵体、叶轮、导流轮、导流片等，需要采用可以在-244℃下工作、强度范围 675MPa，延伸率>6%，密度<4g/cm3，热膨胀系数较低且可控的 MMC 材料代替目前的锻造 Ti 合金。目前正在根据上述目标开发各种铝基复合材料，并采用近净形加工方法。其关键技术在于控制颗粒体积份数和均匀分布。研究中的有颗粒和短纤维增强铝基 MMC，前者强度已达到 620MPa 的较高水平。针对液氧泵和管线部件的相容性要求，正在研制铜基 MMC 材料，要求 260℃下强度达 413MPa，密度<7.5g/cm3。在某些发动机部件中还正在开发镍基 MMC。
【结论】
金属基复合材料已在航天系统中使用，如航天飞机轨道器和哈勃太空望远镜。虽了解各种金属基复合材料的工艺/特性的关系中得到了一系列的进展，但金属基复合材料工艺复杂，制造成本高，仍然没有被航天业广泛地接受。在发展新的航天系统中成本已经成为不得不考虑的因素，因此在将来开发时，必须集中在价格适宜、质量高的材料。另一方面，金属基体
6优秀的任性和良好的耐空间环境性能是 MMC 具有优异性能的基础，加之它在很大程度上可以借鉴或沿用金属材料和树脂基复合材料工艺技术，这都决定了 MMC 在航天领域更加广阔的应用前景。
参考文献
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[9]我国航空复合材料技术发展展望.航空制造工程.1 卯
[12]张国定,赵昌正.金属基复合材料.上海交通大学出版社.1996
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