1、精選優質文檔-傾情為你奉上14.3.2金屬-非金屬復合材料14.3.2.1金屬基復合材料的性能特征金屬基復合材料與一般金屬相比，具有耐高溫、高比強度、高的比彈性模量、小的熱膨脹系數和良好的抗磨損性能。與聚合物基復合材料相比，不僅剪切強度高、對缺口不敏感，而且物理和化學性能更穩定，如不吸濕、不放氣、不老化、抗原子氧侵蝕、抗核、抗電磁脈沖、抗阻尼，膨脹系數低、導電和導熱性好。由于上述特點，使金屬基復合材料更適合空間環境使用，是理想的航天器材料，在航空器上也有潛在的應用前景。14.3.2.2金屬基復合材料的研究與應用表14.101 和表14.102簡要概述了各類金屬基復合材料在航空航天領域的應用概況

2、。金屬基復合材料(MMC)的研究始于20世紀60年代，美國和俄羅斯在航空航天用金屬基復合材料的研究應用方面處于領先的地位。20世紀70年代，美國把B/Al復合材料應用到航天飛機軌道上，該軌道器的主骨架是采用89種243根重150g的B/Al管材制成，比原設計的鋁合金主骨架減重145g。美國還用B/Al復合材料制造了J-79和F-100發動機的風扇和壓氣機葉片，制造了F-106、F-111飛機和衛星構件，并通過了實驗，其減重效果達20%66%。蘇聯的B/AL復合材料與80年代達到實用階段，研制了多種帶有接頭的管材和其他型材，并成功地制造出能安裝三顆衛星的支架。由于B纖維的成本高，因此自70年代中

3、期美國和蘇聯又先后開展C/AL復合材料的研究，在解決了碳纖維與鋁之間不濕潤的問題以后，C/AL復合材料得到應用。美國用C/AL制造的衛星用波導管具有良好的剛性和極低的熱膨脹系數，比C/環氧復合材料輕30%.。隨著SiC纖維和Al2O3纖維的出現，連續纖維增強的金屬基復合材料得到進一步發展，其中研究和應用較多的是SiC/AL復合材料。連續纖維增強金屬基復合材料的制造工藝復雜、成本高，因此美國又率先研究發展晶須增強的金屬基復合材料，主要用于對剛度和精度要求較高的航天構件上。美國海軍武器中心研制的SiCp/Al復合材料導彈翼面已經進行了發射試驗，衛星的拋物面天線、太空望遠鏡的光學系統支架也采用了Si

4、Cp/Al復合材料，其剛度比鋁大70%，顯著提高了構件的精度。 MMC對航天器的輕質化、小型化和高性能化正在發揮越來越重要的作用。 MMC在航空器上的應用也有很大潛力，英國研制了SCS-6/Ti的發動機葉片，大幅度提高了其承載能力和剛度，優化了氣動載荷下的翼型。用SCS-6/Ti代替耐熱鋼制造的RB211發動機的壓氣機靜子，可使該構件減重40%；采用SCS-6/Ti代替鎳基高溫合金制作壓氣機葉環結構轉子，可是該部件減重80%；SiCf/Ti也可望代替不銹鋼在F-22試驗型飛機制作活塞桿。 表14.101 B/Al復合材料的應用構建名稱飛行器質量/kg特點轉接殼AtLas導彈13.61.22m&

5、#215;2.14m的加筋圓柱殼推進器箱（方案）AtLas導彈590長橢圓形姿態控制系統的下壁板（方案）Apollo飛行的服務艙四層單向B/AL板衛星天線絎架（方案）373B/AL管組成絎架天線30.5m×1.66m中機身框構件航天飛機141243根B/AL管和鈦接頭組成 中機身上翼板（方案）航天飛機136B/AL板加筋與呂蒙皮鉚接中機身上側壁板（方案）航天飛機364同上主起落架主桿（方案）航天飛機33.2B/AL管和鈦接頭組成受壓縮壁板（試件）航天飛機95.911.2m×1.8m多條桁條組成的多件構件壓力容器（方案）空間站5.6m*4.06m圓柱殼表14.102 其他MM

6、C的應用背景復合材料名稱增強體應用背景C/AlC/Mg石墨纖維人造衛星支架、L頻帶平面天線、空間望遠鏡和照相機波導和鏡筒、紅外反射鏡、人造衛星拋物面天線、航天飛機大面積蜂窩結構蒙皮和動力回收系統構件SiCf/AlSiC纖維導彈彈體及垂直尾翼SCS-6/TiSCS-6纖維壓氣機整體葉環結構轉子和靜子、火箭發動機箱體SCS-6/CuSCS-6纖維火箭的高溫部件W/CuW纖維火箭噴管W/NiW/FeW纖維火箭發動機SiCw/AlSiC晶須導彈平衡翼和制導元件的儀表殼、框架、加速度表、光學反射鏡，航天器結構件和發動機部件SiCp/AlSiC顆粒衛星支架、連接件，光學系統的紅外探測器、空間激光鏡、高速旋

7、轉掃描鏡，導彈翼面TiCp/Ti-6Al-4VTiC顆粒導彈殼體和尾翼、發動機部件14.3.2.3 鋁基復合材料的性能(1)外加晶須或顆粒復合材料表14.103和表14.104給出了常用鋁基復合材料的性能。 表14.103 連續纖維增強鋁基復合材料的性能名稱或牌號狀態增強纖維體積含量/%密度/kg·m-3抗伸強度b/MPa拉伸模量E/GPa斷裂應變/%熱膨脹系數/10-6·K-1Bf /2024Al-47-14202220.795-Bf /2024AlT646-1458220.70.81-Bf /6061Al-50249113432170.695-Bf/6061AlT651

8、-1417231.70.735-Cf/6061Al-43(石墨T50)24366412150.83-SiCf/Al-47(SCS-2)293414622040.896.6SiCf/Al熔模鑄造34(SCS-2)-1034172-SiCf/Al-35(Nicalon)-800900100110-3.2AL2O3/201Al-50(FP)35981170210-7.2SiCf / 6061Al-50-軸向：1500-表14.104 晶須或顆粒增強AL基復合材料的體系和性能名稱和牌號狀態增強體數量/%密度/kg·m-3拉伸強度b/MPa屈服強度0.2/MPa拉伸模量E/GPa斷裂應變/%熱

9、膨脹系數/×10-6·K-1SiCw /2024Al-202796384298111-16T6202860496351-16SiCp /6061Al-20-4964141035.5-40-5864481452-SC/6A02Al-27-14.5234-7.9639-6.67SiCp/356Al-20-357336-0.4-Al2O3P/6061Al-20-379359-2.1-SiCw / 2009Al-15-634483(軸箱)-6.4-SiCw/ZAlSi12Cu1Mg1Ni1-17-470400-1.2-(2)原位內生顆粒增強鋁基復合材料 原位內生顆粒增強鋁基復合材料

10、及其性能見表14.105。 表14.105 原位內生顆粒增強鋁基復合材料及其性能材料制備方法顆粒含量/%彈性模量E/GPa拉伸強度b/MPa屈服強度0.2/MPa延伸率/%硬度HVAl / TiB2XDTM16103.63493093.8120Al / TiB2SHS201323432389-Al / TiAl3MA-408325-89Al / TiB2-209516612315-Al / TiCCR151206104684.9-Al / TiCXDTM32-4222.3-Al / SiC粉末冶金+T622964984176.8-Al / SiCMA+燒結32-65080055060035-1

11、4.3.2.4 鈦基復合材料 與鈦合金相比，鈦基復合材料具有高比強度和熱穩定性、高的彈性模量、高的抗蠕變性能、高的耐熱溫度和良好的耐磨性能。(1)連續纖維增強的鈦基復合材料 連續纖維增強的鈦基復合材料及其力學性能見表14.106和表14.107。 表14.106 SCS-6纖維增強的鈦基復合材料及其在不同溫度的縱向拉伸力學性能名稱或牌號拉伸試驗溫度/拉伸強度b/MPa延伸率/%彈性模量E/GPaSCS-6/Ti-6Al-4V2319321.0920253813700.8718365012210.86167SCS-6/Ti-11002312190.7319853810040.6517865097

12、10.68166SCS-6/Ti-25-10-3-12315170.7921753814720.8520065013600.82188 表14.107 SCS-6纖維增強鈦基復合材料在538和650時的蠕變性能名稱或牌號溫度/應力/MPa0.1%時間/h0.2%時間/h斷裂時間/h蠕變應變/%總應變/%SCS-6/Ti-6Al-4V5389651.6269320.380.8511030.3112520.360.916507580.4258>500-8271.4-3920.150.64SCS-6/Ti-110053868933482>500-9278-16<0.10.56650

13、7580.566.50.200.65827-0.7<0.10.60SCS-6/Ti-25-10-3-15386894.2->600-8279->500-6507582.32845910.250.668271.3-540.190.58(2)顆粒增強鈦基復合材料 美國的Cerme Ti系列復合材料采用CHIP工藝（冷等靜壓+燒結+熱等靜壓）制造，為含有不同含量的TiC、TiB2顆粒增強的Ti-6Al-4V復合材料。10%(重量)TiC/Ti-6Al-4V復合材料的斷裂強度和彈性模量從室溫到650比Ti-6Al-4V合金都提高了15%，TiC顆粒為20t%(重量)時復合材料的彈性模

14、量可以再提高10%。15t%(重量)TiC/Ti-6Al-4V復合材料在538的蠕變速率比Ti-6Al-4V降低了約一個數量級，而持久壽命則增加了一個數量級。Cerme Ti復合材料具有高的硬度、較好的耐磨性、較好的抗疲勞性能、較高的使用溫度，但是其室溫塑性和斷裂韌性偏低。其他顆粒增強鈦基復合材料的拉伸性能見表14.108。 表14.108 顆粒增強鈦基復合材料的拉伸性能名稱或牌號溫度/拉伸強度b/MPa屈服強度0.2/MPa延伸率/%斷面收縮率/%彈性模量E/GPa10%(重量)TiAl/Ti-6Al-4V室溫12801290125012701.82.35.27.395.8538520471

15、2.06.9131.75%(重量)TiB2/Ti-6Al-4V室溫836775-121.410%(體積)Y2O3/Ti-6Al-4V室溫10409952.42.2-53850446147-6503763116.813.5130AF2-0.55Er室溫9669260.9-6506445208.7-121RSTi-6Al-4V-0.6B室溫110710007-135RSTi-6Al-0.5B室溫110710548.1-136TiCp/Ti-15S室溫130012806.912-600742-2033-700512-3647-釹化物顆粒增強鈦基復合材料室溫10861115100910459.211.

16、315.719.4-6006947035805931320.724.337.5-6506577265566131228.430.157.7-注：基體成分：Ti-11.5Al-1.3Sn-1.6Zr-0.7Hf-0.5Nb-0.15Ru-0.25Si-0.22Ge，RS:快速凝固技術。14.3.2.5 鎂基復合材料鎂基復合材料的主要體系與性能見表14.109。Mg-Li合金基體復合材料及其性能見表14.110。表14.109 鎂基復合材料的主要體系與性能名稱或牌號狀態增強體體積百分數/%密度/kg·m-3拉伸強度/MPa屈服強度/MPa斷裂應變/%拉伸模量/GPa線膨脹系數/10-6&

17、#183;K-1Cf /Mg纏繞棒35（P100）-720-248-SiCf /Mg-34(SCS-2)-1000-0.83170-SiCw /ZK60AT52021106135171.29714.4SiCp /ZK60AT6(擠壓棒)20縱向：462橫向：406縱向：399橫向：347-縱向：69橫向：23-SiCw / ZK60AT6(擠壓棒)20縱向：579橫向：342縱向：448橫向：271-縱向：70橫向：59-Thormel 50 / Mg-35-2.5(17177)VS0054 / Mg-Al-48-0.18HM / Mg-Al-25.4-6.0727.8-5.1637.7-4.

18、0546.8-2.00SCf / Mg-Al-6.1-18.4014.39-12.6824.84-7.2229.43-6.0633.63-5.1941.86-4.11SiCp / MB15-3383672852954.44.755.857.4-SiCw / MB15未熱擠壓-3533892693043.64.055.758.8-熱擠壓-3733872843023.94.859.062.2-SC/CP Mg未熱處理30-522剪切強度b=40MPa氧化處理325剪切強度b=133MPaSC/Mg-4Al未熱處理30-645剪切強度b=20MPa氧化處理-328剪切強度b=140MPa 表14.1

19、10 Mg-Li合金基體復合材料及其性能基體增強體增強體體積分數/%彈性模量E/GPa拉伸強度b/MPa延伸率/%硬度HVMg-12Li-Al2O3短纖維04575>103512-2102.89624-2802.0113SiC晶須20692001.43-Mg-10.3Li-6Al-6Ag-4Cd-Al2O3短纖維0-900.49312-1670.313024-1420.4145Mg-9LiB4C顆粒045.411055-549.016213-Mg-14.1LiB顆粒050.2180*-1068.1214*-2079.3220*-30101.1244*-14.3.2.6 銅基復合材料 銅基

20、復合材料開發、研制和應用較少，常見的復合材料為SiCp/Cu，近年來又出現了采用Al2O3纖維作增強體的銅基復合材料。SiCp/Cu復合材料的性能見表14.111。表14.111 SiCp/Cu復合材料的性能材料名稱或牌號增強體體積分數 / %拉伸強度 / MPa拉伸模量 / GPaSiCp/Cu33(SCS-2)96520214.3.2.7鋼結合金 鋼結合金是以鋼為粘結金屬，以難熔金屬化合物作為硬質相的結合材料，其組織特點是微細硬質顆粒均勻分散于鋼基體中，它兼有硬質化物的硬度和耐磨性以及鋼的強度和韌性。(1)鋼基體作為鋼結合金粘結相的鋼種包括各種成分的碳素鋼、合金鋼、工具鋼、高速鋼、各種類型

21、的耐熱鋼、不銹鋼等，由于合金用途不同而不同。前蘇聯的TiC基鋼結合金的鋼粘結劑用鋼號及主要成分見表14.112。國內也有人提出TiC基鋼結合金的鋼粘結劑的成分，見表14.113。 表14.112 前蘇聯的TiC基鋼結合金的鋼粘結劑用鋼號及主要成分粘結劑用鋼的牌號主要化學成分 / % （質量百分比）CCrMoNiWVCoFeX90.80.99-其余X12M12<1-其余X4H2M8482-其余X13M2132-其余X6B3M61-3-其余P6M645-62-其余P6M5K545-625其余X4H2M4<12-其余X18H1518-15-其余5X6BM262<1-其余X6B3M262-<1-其余X6B3M61-3-其余 表14.113 國內提出的TiC基鋼結合金粘結劑的成分CCrMoVNiSP雜質Fe0.250.354.55.51.01.50.30.52.54.00.030.03<0.5其余(2)鋼結合金的種類鋼結合金主要有TiC基鋼