復(fù)合材料論文

金屬基復(fù)合材料述評(píng)摘要本文探討了金屬基復(fù)合材料發(fā)展所面臨的主要問題。首先討論常用基體材料和常用增強(qiáng)體。前者限于鋁和鈦合金,所討論的增強(qiáng)體包括顆粒、晶須和纖維。然后評(píng)述基本的設(shè)計(jì)原則,著重于設(shè)計(jì)者面臨的關(guān)于最佳基體化學(xué)性質(zhì)、界面反應(yīng)、不同的熱膨脹和主要變形機(jī)理的效應(yīng)等方面的選擇問題。對(duì)于鈦基復(fù)合材料,除非它們的使用溫度范圍增加到750℃以上,否則這些材料就不能和高溫合金相競(jìng)爭(zhēng)。然而,目前的合金工藝表明,如果沒有足夠的涂層保護(hù),還沒有一種鈦合金能在空氣中680℃以上維持下去。然后評(píng)述金屬基復(fù)合材料的固化法,包括最近在歐洲實(shí)驗(yàn)室的研究工作。1前言開始于三十年以前的金屬基復(fù)合材料在世界范圍內(nèi)廣泛研究和發(fā)展的主要原因在于它的低密度,高彈性模量和大大改善的高溫蠕變和疲勞強(qiáng)度,而這些正是民用工業(yè)和軍事、航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵因素[1～5]。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系如圖1所示。功能復(fù)合材料發(fā)展的科學(xué)和工程原則也示于圖1中。圖中第一行是四種常用的基體,或用顆粒、晶須或陶瓷長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的連續(xù)相。復(fù)合材料性能由每一組元隨時(shí)間保留它自身特性的程度來控制。溫度-時(shí)間引起的界面反應(yīng)是金屬基復(fù)合材料中大多數(shù)承載體不能發(fā)揮最佳性能的主要原因之一。圖1中每種基體材料框圖下面指的是目前存在的問題,通過這些問題的解決就能實(shí)現(xiàn)性能上特定的最佳增強(qiáng)。本文我們僅評(píng)述金屬基復(fù)合材料,即MMC?？山邮艿膹?fù)合材料應(yīng)表現(xiàn)出低的密度和能與當(dāng)前工程材料相比的力學(xué)性能。成功的復(fù)合材料將表現(xiàn)出低的密度和明顯的溫度優(yōu)勢(shì)下具有相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。正是這些原因,大部分研究成果在與當(dāng)前的材料如先進(jìn)的鋁合金、鈦合金和高溫合金比較時(shí),總是按照密度歸一化的性能來表示。金屬基復(fù)合材料中,目前廣泛發(fā)展的是SiC、TiC、Al2O3和C顆粒、晶須或纖維增強(qiáng)的鋁基和鈦基復(fù)合材料。典型的顆粒直徑小于100m,添加量達(dá)到35vol%。晶須的直徑為幾個(gè)微米,具有幾千倍的長(zhǎng)徑比(l/d)。纖維是連續(xù)的,直徑為10～100m,l/d值在10000以上,可添加到45vol%。2基體合金典型的金屬基復(fù)合材料開發(fā)者將從選擇工業(yè)上可應(yīng)用的基體合金和增強(qiáng)體開始。近年的研究已表明,最佳的結(jié)構(gòu)合金未必是基體合金的最佳選擇。這是因?yàn)?已應(yīng)用的工業(yè)鋁或鈦合金是根據(jù)應(yīng)力、溫度和環(huán)境條件為特別的應(yīng)用而發(fā)展和優(yōu)化形成的,而并不是優(yōu)化作為MMC基體材料的。大量的研究工作已表明,環(huán)境效應(yīng)、界面反應(yīng)和相的穩(wěn)定性強(qiáng)烈地影響復(fù)合材料的行為,這些因素與各組元物理性能、化學(xué)性質(zhì)、溫度和時(shí)間密切相關(guān)[3,6～8]。表1～3中,我們總結(jié)了普通基體合金的物理性能和化學(xué)性質(zhì)。現(xiàn)在,鋁基復(fù)合材料能從有限的商家買到。鈦基復(fù)合材料仍在深入研究和發(fā)展之中。應(yīng)該注意的是,對(duì)于所有合金,尤其是鈦合金,力學(xué)性能強(qiáng)烈地依賴于通過復(fù)雜的熱機(jī)械過程而變化的微觀結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料設(shè)計(jì)者所面臨的挑戰(zhàn)是,如何在復(fù)合材料中發(fā)展這些最佳的性能。相反,MMC的研究者也應(yīng)注意到,已列出的性能數(shù)據(jù)不適用于復(fù)合材料的基體。另一重要性能是熱膨脹系數(shù)(CTE).由于基體和增強(qiáng)體之間CTE的差別,在熱循環(huán)過程中界面上可產(chǎn)生應(yīng)力。在一定情況下,這些應(yīng)力值能超過界面剪切強(qiáng)度[4,9]。表1普通Al合金基體化學(xué)成分鈦合金的氧化行為將其使用溫度限制在700℃以下。顯然,這一限制也適用于鈦基復(fù)合材料。當(dāng)選擇TiC作為Ti基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維時(shí),還存在TiC環(huán)境反應(yīng)問題。在目前的鈦基合金材料中,Timet21S顯示出最好的抗腐蝕能力[2]。不過,在考慮鈦基復(fù)合材料能作為高溫合金替代材料之前,還應(yīng)發(fā)展800℃以上、且與鈦合金相容的結(jié)合牢固的涂層。在過去的幾年里,Ti-24Al-23Nb/SCS-6SiC復(fù)合材料體系是深入研究的重點(diǎn)。這種復(fù)合材料發(fā)展的原因在于,增強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)化的微觀組織(表2)和可接受的斷裂韌性,以及增加的熱疲勞響應(yīng)和優(yōu)于近ɑ合金的抗氧化能力。Dudek現(xiàn)在也正在用磁噴射體系研究Ti-24Al-23Nb/SCS-6SiC。4.2鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料正在軍事領(lǐng)域里應(yīng)用,情況不詳。其他工業(yè)應(yīng)用是有限的。在美國(guó)有兩家人們熟悉的提供鋁基復(fù)合材料的制造單位,即加州的DWA和麻省的Textron公司。為了使該類復(fù)合材料獲得更廣泛的接受,必須發(fā)展更低成本的產(chǎn)品和提供一致的、可使用的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)體系。目前仍然需要發(fā)展的包括:損傷監(jiān)測(cè)、熱機(jī)械模型、微觀組織控制和組織分級(jí)。目前已經(jīng)應(yīng)用的鋁基復(fù)合材料的工業(yè)產(chǎn)品包括:柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞?.?.?Al2O3-SiO2顆粒增強(qiáng)AC8A鋁基復(fù)合材料曲軸輪?.?.?.?.?Al2O3-SiO2顆粒增強(qiáng)AC8A鋁基復(fù)合材料汽車汽缸體?.?.?.?.?Al2O3+Cf增強(qiáng)ADC12鋁基復(fù)合材料連桿?.?.?.?.?.?.?.?.不銹鋼絲增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料自行車框架?.?.?.?.?.?.SiCw(晶須)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料高爾夫球頭?.?.?.?.?.SiCp(顆粒)增強(qiáng)6061鋁基復(fù)合材料表4中的數(shù)據(jù)表明,對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,其力學(xué)性能有明顯的各向異性,縱向(平行于纖維方向)和橫向的差異達(dá)10倍。這些各向異性在顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)的MMC中不會(huì)出現(xiàn)。5結(jié)束語過去的三十年里,金屬基復(fù)合材料在世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的研究和發(fā)展。盡管人們已經(jīng)做了很大努力,金屬基復(fù)合材料目前還沒有在工業(yè)上廣泛應(yīng)用,只是很少地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。其原因主要在于高的制造成本,相對(duì)較低的穩(wěn)定性和大的性能波動(dòng)。一般來說,如果能實(shí)現(xiàn)更低成本和具備一致的、可