淺談金屬基復合材料在航空航天領域的應用與發展

王秀麗 魏永輝

摘 要：金屬基復合材料以其高比強度、高比模量、耐熱、耐磨、導電、導熱、不吸潮、抗輻射和低熱膨脹率等性能與優點，被探索性的應用于電子、汽車工業及航空航天領域。該文在概述金屬基復合材料及其分類基礎上，闡釋分析了金屬基復合材料在航空航天及相關領域的探索應用，并就金屬基復合材料在該領域的未來研究改進與發展應用進行了預測性分析；以期對更好促進金屬基復合材料性能改進及在航空航天領域的科學應用有所幫助。

關鍵詞：金屬基復合材料 航空 航天 應用 發展

中圖分類號：V257 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（c）-0016-03

20世紀的材料科學領域獲得了重大發展，其中復合材料占有著重要的一席之地；作為先進復合材料代表的金屬基復合材料，成為世界發達國家爭奪技術優勢而競相發展的熱點。所謂金屬基復合材料（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、非金屬增強相而人工合成獲得的復合型材料；金屬基復合材料，與當前的聚合物基復合材料、陶瓷基復合材料及碳-碳復合材料一同構成了現代復合材料體系。金屬基復合材料，以其高比強度、高比模量、耐熱、耐磨、導電、導熱、不吸潮、抗輻射和低熱膨脹率等性能、優點，被探索性的應用于電子工業、汽車工業及航空航天領域。已有研究表明，金屬基復合材料在航空航天領域的探索應用，能有效提高航空航天產品的質量水平和技術可靠性，從而極大促進了世界范圍內航空航天事業的健康發展。該文欲在概述金屬基復合材料及其分類基礎上，闡釋分析了金屬基復合材料在航空航天及相關領域的探索應用，并就金屬基復合材料在該領域的未來研究改進與應用發展趨勢進行了預測性分析；以期對更好促進金屬基復合料性能改進及在航空航天領域的應用有所幫助。

1 金屬基復合材料及其分類概述

1.1 金屬基復合材料概述

就金屬基復合材料的范疇，目前還是一個較有爭議的話題；單從復合材料定義角度講，只要是包含金屬相在內的兩相、多相材料都可以稱之為金屬基復合材料；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，有的學者將其稱之為金屬合金，而不是金屬基復合材料；但是這已不重要，重要的是其所蘊含的“復合”思想已經成為金屬材料性能提升和制造水平提高的巨大動力與有效方式，也極大促進了這一新型合金或者復合材料在工業生產各個領域的應用。

1.2 金屬基復合材料的分類

就金屬基復合材料分類而言，可以采用的分類依據較多。依據可觀察性，可以將金屬基復合材料分為為宏觀組合型和微觀強化型兩類，宏觀組合型金屬基復合材料主要指可以用肉眼來識別材料組分及同時具備兩組分性能的材料，如：雙金屬、包履板等；微觀強化型金屬基復合材料是指其內部組分需要使用顯微鏡等觀察設備才能分辨，而多種材料復合的主要目的在于提高材料強度。依據金屬基復合材料所使用的基體不同，可以將金屬基復合材料分為鋼基、鋁基、鎂基、鐵基和鋁合金基等類別。依據增強相形態的不同，可以將金屬基復合材料分為顆粒增強金屬復合材料、晶須或者短纖維增強金屬基復合材料、連續纖維增強金屬基復合材料等；所謂顆粒增強金屬基復合材料，是指借助于某種顆粒自身的強度，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，強化相容積比達90%以上；纖維增強金屬基復合材料，則是借助于無機纖維、金屬細線等達到增強材料性能的目的，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。上述分類中獲得認可較多的是以“基體”為分類依據和以“增強相形態”為分類依據的金屬基復合材料。金屬基復合材料以其獨特的性能、優點，被廣泛的、探索性的應用于航空航天零部件產品的生產制造，是一種具有很好發展前途的材料。

2 金屬基復合材料在航空航天及相關領域的應用

航空航天領域向來對產品的安全系數、使用壽命要求較高，這也使得航空航天領域成為金屬基復合材料應用最具挑戰性的領域，特別是在商用、軍用飛機及其零部件的生產應用上。這方面國外的探索、應用較國內要較早一些，應用也更多一些，為金屬基復合材料在國內相關領域的應用提供了可供借鑒的經驗。早在20世紀的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復合材料公司生產的25%的SiCp/6061Al復合材料作為飛機上承放電子設備的支架來使用，被認為是最早的金屬基復合材料應用案例。由于傳統的鋁合金材料在飛機扭轉、旋轉引發的力載荷作用下會發生嚴重變形，進而影響到飛機機體結構的安全；這也使得最近幾年，以顆粒增強鋁為代表的金屬基復合材料開始在飛機上作為主承載結構件使用。

在美國國防部“Title”項目的大力支持下，DWA復合材料公司與洛克希德·馬丁公司及空軍軍方合作，應用粉末冶金法成功制備了碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，并大膽嘗試用作F-16戰斗機的腹鰭材料，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百小時提高到全壽命8 000 h以上，大大延長了飛機及相關零部件的使用壽命。鑒于良好的應用效果，美國空軍軍方正準備將這種鋁基復合材料腹鰭作為現役F-16戰斗機的備用件，逐步進行全面更換。美國空軍后勤中心就鋁基復合材料應用的評估結果表明：鋁基復合材料腹鰭可以大幅減少設備的檢修次數，全壽命周期內可以節約檢修費用2 600萬美元以上，更重要的是可以大大提高飛機的機動性、安全性。

美國除在F-16戰斗機中嘗試使用鋁基復合材料外，F-18（大黃蜂）戰斗機上的液壓制動器缸體使用的則是碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，用來代替傳統的鋁青銅材料，不僅使機體重量得到明顯減輕、有效降低缸體的熱膨脹系數，最重要的是使缸體的疲勞極限成功提高了一倍。金屬基復合材料在直升機應用方面，歐洲國家率先取得進展，由英國航天金屬基復合材料公司生產制造的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，被用作直升機旋翼系統連接用模鍛件，已在歐直公司生產的N4和EC-120新型直升機上成功應用；應用效果較傳統鋁合金相比，構件剛度有了30%左右的提高，與鈦合金相比，構件重量則下降了1/4。最值得關注的是，從上個世紀九十年代末，碳化硅顆粒增強鋁基復合材料開始嘗試在大型客機上應用；如：普惠公司從PW4084發動機開始，將以DWA公司生產的擠壓態碳化硅顆粒增強變形鋁合金基復合材料用作生產風扇出口導流葉片，并用于所有采用PW4000系發動機的波音777飛機上。

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合材料，以輕金屬基復合裝甲材料研究為重點，成功研制與應用了鋁基、鈦基復合材料；比如，美國空軍C-130運輸機的防護裝甲使用的就是金屬基復合材料。另外，美國還成功的將金屬基復合材料與陶瓷材料進行了很好結合，將金屬良好的韌性、延展性、容易成形和強度高的優點與陶瓷的高硬度、耐燒蝕和重量輕等優點結合起來，形成了一種嶄新的金屬-陶瓷基復合材料；二者的結合既克服了傳統陶瓷的脆性和不能抗彈丸多次打擊的弱點，也成功彌補了金屬硬度不夠和較重的缺點；陶瓷作為增強物之一，為獲得不同抗彈性能含量保持在30%～80%不等，該新型復合材料被多次用于制造飛機等防彈裝甲。

3 金屬基復合材料在航空航天領域的研究與應用趨勢

當前，金屬基復合材料作為一種新型材料，雖然在性能和應用水平上都有了很大的程度的提升，但就其結構和功能而言還是相對比較簡單，還不能完全滿足高科技發展對金屬基復合材料的高性能、多功能要求；因此，必須進一步改進金屬基復合材料的結構，進而優化與改進金屬基復合材料的各項功能和性能。下面筆者就金屬基復合材料未來研究與改進的重點，提出幾點建議，旨在促進金屬基復合材料應用在航空航天領域的更好發展。

3.1 從結構優化上改進金屬基復合材料的性能

金屬基復合材料的各項性能不僅取決于基體、增強體的種類和配比，還取決于增強體、基體的空間配置模式，即人們通常所說的結構；可以考慮從以下幾個方面來優化金屬基復合材料的結構，從而促進金屬基復合材料性能的改進。第一，采用多元復合強化法優化金屬基復合材料的結構；即通過引入不同種類、形態、尺度的增強相，借助于增強體本身多元的物性參數，達到優化結構、提高性能的目的。第二，合理利用復合材料強度與韌性/塑性之間的倒置影響關系；將增強體含量控制在合理配比范圍內，以便獲得最佳使用要求的強度、韌性和塑性。第三，強化層狀金屬基復合材料研究；金屬基復合材料層狀結構的改進，是指從微米尺度上，通過增強微疊層來補償單層材料某些性能上的不足，以此達到滿足某種特殊性能需求的目的，如：耐高溫、強硬度、強隔熱，等。 第四，加強泡沫金屬基復合材料研究與應用；泡沫金屬基復合材料，俗稱多孔金屬泡沫，其是最近幾年發展成熟起來的一種結構功能材料，具有輕質、高比強度、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點，是交通、建筑及航空航天等領域未來研究與應用的熱點。

3.2 用碳納米管增強金屬基納米復合材料性能

在金屬基體中引入均勻彌散的納米級增強體粒子，所得的復合材料往往可以呈現出更加理想的力學性能和導熱、導電、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合材料研究的重點放在納米結構材料應用和納米涂層生產上。以碳納米管應用為例，由于其具有優良的力學、電學和熱學性能，是制備金屬基復合材料較為理想的增強體，隨著碳納米管制備水平提高及其成本價格走低，碳納米管增強金屬基復合材料定是未來研究的熱點，也是世界各國復合材料研究領域競相爭奪的技術制高點。因此，有必要通過加強碳納米管增強金屬基復合材料的研究，來縮短我國與世界發達國家在金屬基復合材料研究方面的差距。

3.3 促進金屬基復合材料結構功能一體化發展

伴隨現代科學技術的發展，金屬基復合材料的應用需求越來越廣，對金屬基復合材料也不再僅僅局限于其某些優良的機械性能，對其在多場合服役條件下具有的結構、功能一體化和多功能響應特性等要求越來越高。為了強化金屬基復合材料的這種結構功能一體化和多功能響應特性，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材料，一方面可以作為增強體提高金屬材料的機械性能，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，用高熱導率的金剛石、高定向熱解石墨等作增強相，與銅、鋁等高導熱金屬復合，可以獲得高導熱率、低膨脹率和低密度的理想金屬基復合材料，可以在溫度變化場合使用且能夠保持尺寸的穩定性，在航空航天結構件生產等領域具有較高的應用價值。

參考文獻

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