1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上14.3.2金屬-非金屬復(fù)合材料14.3.2.1金屬基復(fù)合材料的性能特征金屬基復(fù)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(shù)和良好的抗磨損性能。與聚合物基復(fù)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(xué)性能更穩(wěn)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(shù)低、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好。由于上述特點，使金屬基復(fù)合材料更適合空間環(huán)境使用，是理想的航天器材料，在航空器上也有潛在的應(yīng)用前景。14.3.2.2金屬基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用表14.101 和表14.102簡要概述了各類金屬基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用概況

2、。金屬基復(fù)合材料(MMC)的研究始于20世紀(jì)60年代，美國和俄羅斯在航空航天用金屬基復(fù)合材料的研究應(yīng)用方面處于領(lǐng)先的地位。20世紀(jì)70年代，美國把B/Al復(fù)合材料應(yīng)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(shè)計的鋁合金主骨架減重145g。美國還用B/Al復(fù)合材料制造了J-79和F-100發(fā)動機的風(fēng)扇和壓氣機葉片，制造了F-106、F-111飛機和衛(wèi)星構(gòu)件，并通過了實驗，其減重效果達20%66%。蘇聯(lián)的B/AL復(fù)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(wèi)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(lián)又先后開展C/AL復(fù)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(fù)合材料得到應(yīng)用。美國用C/AL制造的衛(wèi)星用波導(dǎo)管具有良好的剛性和極低的熱膨脹系數(shù)，比C/環(huán)氧復(fù)合材料輕30%.。隨著SiC纖維和Al2O3纖維的出現(xiàn)，連續(xù)纖維增強的金屬基復(fù)合材料得到進一步發(fā)展，其中研究和應(yīng)用較多的是SiC/AL復(fù)合材料。連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的制造工藝復(fù)雜、成本高，因此美國又率先研究發(fā)展晶須增強的金屬基復(fù)合材料，主要用于對剛度和精度要求較高的航天構(gòu)件上。美國海軍武器中心研制的SiCp/Al復(fù)合材料導(dǎo)彈翼面已經(jīng)進行了發(fā)射試驗，衛(wèi)星的拋物面天線、太空望遠鏡的光學(xué)系統(tǒng)支架也采用了Si

4、Cp/Al復(fù)合材料，其剛度比鋁大70%，顯著提高了構(gòu)件的精度。 MMC對航天器的輕質(zhì)化、小型化和高性能化正在發(fā)揮越來越重要的作用。 MMC在航空器上的應(yīng)用也有很大潛力，英國研制了SCS-6/Ti的發(fā)動機葉片，大幅度提高了其承載能力和剛度，優(yōu)化了氣動載荷下的翼型。用SCS-6/Ti代替耐熱鋼制造的RB211發(fā)動機的壓氣機靜子，可使該構(gòu)件減重40%；采用SCS-6/Ti代替鎳基高溫合金制作壓氣機葉環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(fù)合材料的應(yīng)用構(gòu)建名稱飛行器質(zhì)量/kg特點轉(zhuǎn)接殼AtLas導(dǎo)彈13.61.22m&

5、#215;2.14m的加筋圓柱殼推進器箱（方案）AtLas導(dǎo)彈590長橢圓形姿態(tài)控制系統(tǒng)的下壁板（方案）Apollo飛行的服務(wù)艙四層單向B/AL板衛(wèi)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(gòu)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(cè)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(gòu)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(yīng)用背景復(fù)合材料名稱增強體應(yīng)用背景C/AlC/Mg石墨纖維人造衛(wèi)星支架、L頻帶平面天線、空間望遠鏡和照相機波導(dǎo)和鏡筒、紅外反射鏡、人造衛(wèi)星拋物面天線、航天飛機大面積蜂窩結(jié)構(gòu)蒙皮和動力回收系統(tǒng)構(gòu)件SiCf/AlSiC纖維導(dǎo)彈彈體及垂直尾翼SCS-6/TiSCS-6纖維壓氣機整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子和靜子、火箭發(fā)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(fā)動機SiCw/AlSiC晶須導(dǎo)彈平衡翼和制導(dǎo)元件的儀表殼、框架、加速度表、光學(xué)反射鏡，航天器結(jié)構(gòu)件和發(fā)動機部件SiCp/AlSiC顆粒衛(wèi)星支架、連接件，光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測器、空間激光鏡、高速旋

7、轉(zhuǎn)掃描鏡，導(dǎo)彈翼面TiCp/Ti-6Al-4VTiC顆粒導(dǎo)彈殼體和尾翼、發(fā)動機部件14.3.2.3 鋁基復(fù)合材料的性能(1)外加晶須或顆粒復(fù)合材料表14.103和表14.104給出了常用鋁基復(fù)合材料的性能。 表14.103 連續(xù)纖維增強鋁基復(fù)合材料的性能名稱或牌號狀態(tài)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(yīng)變/%熱膨脹系數(shù)/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(fù)合材料的體系和性能名稱和牌號狀態(tài)增強體數(shù)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(yīng)變/%熱

9、膨脹系數(shù)/×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(nèi)生顆粒增強鋁基復(fù)合材料 原位內(nèi)生顆粒增強鋁基復(fù)合材料

10、及其性能見表14.105。 表14.105 原位內(nèi)生顆粒增強鋁基復(fù)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(jié)32-65080055060035-1

11、4.3.2.4 鈦基復(fù)合材料 與鈦合金相比，鈦基復(fù)合材料具有高比強度和熱穩(wěn)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(xù)纖維增強的鈦基復(fù)合材料 連續(xù)纖維增強的鈦基復(fù)合材料及其力學(xué)性能見表14.106和表14.107。 表14.106 SCS-6纖維增強的鈦基復(fù)合材料及其在不同溫度的縱向拉伸力學(xué)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(fù)合材料在538和650時的蠕變性能名稱或牌號溫度/應(yīng)力/MPa0.1%時間/h0.2%時間/h斷裂時間/h蠕變應(yīng)變/%總應(yīng)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(fù)合材料 美國的Cerme Ti系列復(fù)合材料采用CHIP工藝（冷等靜壓+燒結(jié)+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(fù)合材料。10%(重量)TiC/Ti-6Al-4V復(fù)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(fù)合材料的彈性模

14、量可以再提高10%。15t%(重量)TiC/Ti-6Al-4V復(fù)合材料在538的蠕變速率比Ti-6Al-4V降低了約一個數(shù)量級，而持久壽命則增加了一個數(shù)量級。Cerme Ti復(fù)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(fù)合材料的拉伸性能見表14.108。 表14.108 顆粒增強鈦基復(fù)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(fù)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(shù)。14.3.2.5 鎂基復(fù)合材料鎂基復(fù)合材料的主要體系與性能見表14.109。Mg-Li合金基體復(fù)合材料及其性能見表14.110。表14.109 鎂基復(fù)合材料的主要體系與性能名稱或牌號狀態(tài)增強體體積百分?jǐn)?shù)/%密度/kg·m-3拉伸強度/MPa屈服強度/MPa斷裂應(yīng)變/%拉伸模量/GPa線膨脹系數(shù)/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(fù)合材料及其性能基體增強體增強體體積分?jǐn)?shù)/%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(fù)合材料 銅基

20、復(fù)合材料開發(fā)、研制和應(yīng)用較少，常見的復(fù)合材料為SiCp/Cu，近年來又出現(xiàn)了采用Al2O3纖維作增強體的銅基復(fù)合材料。SiCp/Cu復(fù)合材料的性能見表14.111。表14.111 SiCp/Cu復(fù)合材料的性能材料名稱或牌號增強體體積分?jǐn)?shù) / %拉伸強度 / MPa拉伸模量 / GPaSiCp/Cu33(SCS-2)96520214.3.2.7鋼結(jié)合金 鋼結(jié)合金是以鋼為粘結(jié)金屬，以難熔金屬化合物作為硬質(zhì)相的結(jié)合材料，其組織特點是微細硬質(zhì)顆粒均勻分散于鋼基體中，它兼有硬質(zhì)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(jié)合金粘結(jié)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(lián)的TiC基鋼結(jié)合金的鋼粘結(jié)劑用鋼號及主要成分見表14.112。國內(nèi)也有人提出TiC基鋼結(jié)合金的鋼粘結(jié)劑的成分，見表14.113。 表14.112 前蘇聯(lián)的TiC基鋼結(jié)合金的鋼粘結(jié)劑用鋼號及主要成分粘結(jié)劑用鋼的牌號主要化學(xué)成分 / % （質(zhì)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(nèi)提出的TiC基鋼結(jié)合金粘結(jié)劑的成分CCrMoVNiSP雜質(zhì)Fe0.250.354.55.51.01.50.30.52.54.00.030.03<0.5其余(2)鋼結(jié)合金的種類鋼結(jié)合金主要有TiC基鋼