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铝基复合材料国内外技术水平及应用状况

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ADVANCED COMPOSlTES TECHNOL0GY 先进复材技术 Composites(AMC)公司。这些公司已经具备规模生产 能力和丰富的产品规格。DWA铝基复合材料公司的主 要产品为以6092、2009和6063为基体,SiC颗粒为增强 体的复合材料。6092/SIC为其最早的产品系列,主要有 板材和挤压型材 J。 最早的航空应用实例是20世纪80年代美国洛克 希德・马丁公司将25%SiCP/6061A1复合材料用以制 作承放仪器的支架,其比刚度较7075铝合金高65%。 20世纪90年代末,碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大 型客机上获得大量应用。普惠公司从PW4084发动机 开始,采用DWA公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变 形铝合金基复合材料(6092/SIC/17.5p—T6)制作风扇 出口导流叶片,用于采用PW4000系列发动机的波音 777客机上。 颗粒增强铝基复合材料耐冲击能力比树脂基复合 材料强,抗冲蚀能力是树脂基复合材料的7倍,且容易 发现各种损伤,并使成本下降1/3以上。 日本丰田公司首次成功地用A1,0 /A1复合材料制 备发动机的活塞,重量减轻了5%~10%,导热性提高4 倍左右。连杆是汽车发动机中第2个成功地应用金属 基复合材料的零部件。日本Mazda公司制造的A1 0 / A1合金复合材料连杆,比钢质连杆轻35%,抗拉强度 和疲劳强度高,分别为560MPa和392MPa;而且线性膨 胀系数小p J。 2.2 国内铝基复合材料技术发展水平 我国较全面地开展了铝基复合材料方面的研究工 作,包括纤维增强、颗粒增强、层压复合、喷射沉积和原 位生成等方面的研究,取得了进展,正走向实用。在国 内,采用压力铸造高含量SiCp/AI复合材料制作基座替 代W—Cu基座、封装微波功率器件,有望在封装领域大 量替代w—Cu、Mo—Cu等材料。 在强化机制与制备加工研究基础上,铝基复合材料 的研制水平逐渐成熟。举例来说,我国20世纪90年代 以前的铝基复合材料塑韧性与成型加工一直没有获得 突破,因此应用受到局限。通过多年研究积累,“十五” 期间我国在铝基复合材料性能与研制能力方面获得重 要突破,尽管落后于国外,但几种典型铝基复合材料(如 SiC/A1,A1,O /A1)正逐渐获得航空航天、交通运输及 电子仪表等领域的认可。今后,随着研究水平稳步提高 以及新型复合材料的研发,铝基复合材料将有望在许多 领域得到应用。 近年来,一种具有高强度、超强耐磨、抗腐蚀性能 好,可以广泛用于航空航天制造和汽车机械业的新型 材料——颗粒增强SiCp铝基复合材料,在中铝山东分 公司研发成功。这种新型铝基复合材料其密度仅为钢 的1/3,但比强度比纯铝和中碳钢都高,具有极强的耐磨 性,可以在300~350℃的高温下稳定工作,因而被美国、 日本和德国等发达国家广泛应用于汽车发动机活塞、齿 轮箱、飞机起落架、高速列车以及精密仪器的制造等,并 形成市场化的生产规模。目前,国际市场价格为3万美 元/t。由于利用该材料生产终端产品的铸造工艺及其 深加工关键工艺不成熟,目前国内尚无企业进行规模化 生产。该材料的研发成功,不仅填补了我国铝基复合材 料规模化生产的空白,而且有望打破我国长期依赖进口 的局面 。 纵观国内外,对铝基复合材料的应用研究方面,主 要集中在SiC颗粒增强铝基复合材料,并且取得很大的 成就。少数国家(如美国、日本和加拿大等)已进入应用 阶段,取得了显著的经济效益。我国在该领域的研究起 步较晚,大多数仍处于实验室阶段,而且研究的深度和 广度也很有限,工业上的研究才刚刚开始。铝基复合材 料以其优良的性能,问世以来在汽车工业、航空航天、电 子、军工和体育等许多领域得到广泛的应用。制约其发 展的关键因素(如工艺复杂、成本高)等问题正逐步得到 消除,许多国家已建立了工业规模生产铝基复合材料的 工厂,相信在不久的将来,铝基复合材料的制造工艺会 更简单,成本会更低,使用范围会更广。 3铝基复合材料应用领域分析 颗粒增强铝基复合材料和纤维增强铝基复合材料 已经进人商品化应用阶段。 3.1 在交通运输工具中的应用 交通运输工具始终是铝基复合材料最重要的民用 领域之一。考虑到成本以及产业化应用等相关因素, 连续纤维增强铝基复合材料以及成本偏高的非连续增 强铝基复合材料就被排除在这一领域之外,廉价的颗 粒及短纤维增强铝基复合材料尚有大规模应用的可 能。 铝基复合材料在汽车工业的研究起步最早。20世 纪80年代,日本丰田公司就已经用硅酸铝纤维增强铝 基复合材料,成功地制造了汽车发动机活塞抗磨环和汽 车连杆等汽车零部件。美国的Duralean公司研制出用 SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,使其质量 减轻了40%~60%,而且提高了耐磨性能,噪声明显减 小,摩擦散热快;同时该公司还用SiC颗粒增强铝基复 合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件。 这种汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、良好的 耐高温性能和抗咬合性能,同时热膨胀系数更小,导热 性更好。用SiC。/A1复合材料制成的汽车齿轮箱,在强 度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的提高。铝 2015年第3期・航空制造技术83 先进复材技术 A0VANCED COMPoSlTES TECHNOLOGY 合金复合材料也可以用来制造刹车转子、刹车活塞、刹 车垫板和卡钳等刹车系统元件,还可用来制造汽车驱动 轴和摇臂等汽车零件。上海交通大学及兵器科学研究 院等单位,也针对铝基复合材料在汽车上的应用方面进 行了大量的实践工作。 3.2在航空航天领域的应用 铝基复合材料的发展使得现代航空航天领域制造 轻便灵活、性能优良的飞机和卫星等成为可能。Cereast 公司采用熔模铸造工艺研制成20%Vol+A357SIC复 合材料,用该材料代替钛合金制造直径达180mm、质量 为17.3kg的飞机摄像镜方向架,使其成本和质量明显 降低,导热性提高。同时该复合材料还可以用来制造卫 星轮和方向架的支撑架。美国DWA公司用25% SiC /6061铝基复合材料代替7075制造航空结构的导 槽、角材,使其密度下降了17%,模量提高了65%。铸 造SiC颗粒增强A356和A357复合材料可以制造飞机 液压管、直升机的起落架和阀体等。 铝基复合材料由于自身的一些特殊优点,在航空、 航天和军事部门备受青睐,应用十分广泛。例如,DWC 特种复合材料公司制造的Cr/A1复合材料应用于NASA 公司的卫星导波管上,其导电性好,热胀系数小,比原来 使用的石墨/环氧树脂导波管要轻30%左右。俄罗斯 航空材料研究所将B/A1复合材料用于安一28飞机的机 体结构上,零件质量减少25%左右。此外,Al基复合材 料还用于制造光学和电子零件,美国亚利桑那大学研制 了一种超轻空间望远镜,采用SiC/A1复合材料制造行 架、支架和副镜等,使质量大大减轻。美国DWA公司和 英国AMC公司将SiC/A1批量用于EC一120和EC一135 直升机旋翼系统,大幅提高构件刚度和寿命。这些关键 结构件的成功应用说明美国和英国对这种材料的应用 研究已相当成熟。 SiC颗粒增强的铝基复合材料薄板未来将应用于先 进战斗机的蒙皮以及机尾的加强筋,美国航天航空局采 用石墨/铝复合材料作为航天飞机中20m的货舱 架【4】o 3.3在兵器武装中的应用 近l0年来,纤维价格的降低和挤压铸造、真空吸铸 及真空压渗等复合工艺的出现,使复合材料有可能用于 大批量的常规兵器中。纤维增强铝基复合材料因其良 好的综合性能,在兵器中的应用已越来越广,各先进国 家投入了大量研究工作,试制了发动机中的连杆、活塞、 战术发动机壳体、制导舵板、战斗部支撑架、军用作战桥 梁的拉力弦、架桥坦克桥体和长杆式穿甲弹弹托等。美 国陆军早在2O世纪70年代末期就对A1,O /A206复合 材料制造履带板进行了研究,通过采用复合材料制造履 84航空制造技术・2015年第3期 带板可使其质量从铸钢的544~680kg下降到272~362 kg,减轻近50%。美国海军地面武器中心把SiC/A1复 合材料用于船舶结构体和舱板,还打算将这种材料用于 多种水下工程以及鱼雷、水雷的外壳。用碳化硅纤维增 强铝合金复合材料制成的跨度为30m的舟桥,质量只 有5t,刚度比铝合金的高30%。随着价格和技术问题 的不断解决,此类材料在兵器领域中的应用将会更加广 阔 3.4在电子和光学仪器中的应用 铝基复合材料,特别是SiC增强铝基复合材料,由 于具有热膨胀系数小、密度低及导热性能好等优点,适 合于制造电子器材的衬装材料及散热片等电子器件。 SiC颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数完全可以与 电子器件材料的热膨胀相匹配,而且导电、导热性能也 非常好。 在精密仪器和光学仪器的应用研究方面,铝基复 合材料用于制造望远镜的支架和副镜等部件。另外, 铝基复合材料还可以制造惯性导航系统的精密零件、 旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射 镜、镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器和光学 仪器。 在电子封装领域中应用。自20世纪90年代以来, 发达国家的一些公司大力发展用于电子封装的高含量 SiC ,Al复合材料。研制电子器件封装用高导热、低热膨 胀金属基复合材料是新材料的最新研究发展动态之一。 美国已研制成功SiC /A1、Si /A1、C/A1等高性能电子封 装用复合材料,成为解决电子器件迅速传热和散热问题 的关键。最近研制的电子封装复合材料是SiC 含量为 60%~75%的铝基复合材料。 3.5其他应用 (1)低膨胀铝基复合材料在星载大功率多工器中 的应用。 (2)在核工业中的应用。B c具有吸收中子的特性, 因此B C颗粒增强铝基复合材料在核废料存贮方面有 良好的应用前景。DWA公司采用41%B C /A1复合材 料制作核废料干法存贮桶,已经取得了规模应用。 (3)复合材料电线。ElectriPlast材料有着广泛的市 场前景,在航空航天领域,有望应用于电线电缆和除冰 系统。因为该材料的平均质量比铜轻20%,数英里长 度的电缆质量可减轻数吨。 (4)纳微米混杂增强铝基复合材料及其应用。 该材料可广泛推广应用在民用和军用机动车辆发 动机活塞、缸体、缸盖、摇臂、刹车盘、轮箍、履带板、轻型 装甲板以及高稳定性光电仪器和精密仪器仪表零部件 制造上,也可在船舶、航空和电子器件上应用。目前,运 ADVANCED COMPOS}TES TECHNOLOGY 先进复材技术 用该材料生产的军用高功率增压柴油机活塞已通过了 发动机800h台架试验和1.0×104km跑车试验,其综合 性能优于德国马勒公司产品,完全达到进口活塞的材质 要求。 从发展趋势看,21世纪初非连续增强铝基复合材料不 仅会成为航空航天和空间领域中不可替代的重要材料, 而且会逐步拓宽民用市场,预计在本世纪将会大批量生 产和应用。 参考文献 【1]王宇鑫,张瑜,严鹏飞,等.铝基复合材料的研究.上海有 色金属,2010,3l(4):194—199. (5)石墨纤维增强铝基复合材料在空间遥感器镜 筒结构中的应用。 20世纪60年代,美国就采用B/A1复合材料管材制 造航天飞机轨道器主骨架,较原设计的铝合金框架减重 45%。采用42.2%PlO0石墨纤维增强6061铝制成的 哈勃太空望远镜天线悬架是石墨纤维增强铝基复合材 料在航天器上的典型应用。 加拿大航天局分别应用碳化硅增强铝基复合材料 和铍铝合金制成的超轻激光扫描镜将用于新一代的空 间视觉系统(Space Vision System)。其他多种复合材料 在卫星的展开式天线和空间相机的反射镜上也有所应 用。 [2]刘彦强,樊建中,桑吉梅,等.粉末冶金法制备金属基复合材 料的研究及应用.材料导报,2010,24(12):18—23. [3]刘智雄,刘荣佩,张国强.颗粒增强铝基复合材料的研究与 发展.昆明冶金高等专科学校学报,2008,24(5):5—10. 【4]金鹏,刘越,李曙,等.颗粒增强铝基复合材料在航空航天领 域的应用.材料导报,2009,23(6):24—28. [5]刘连涛,孙勇.纤维增强铝基复合材料研究进展.南方金属, 2008(6):1-5. 【6]孙德伟,张广玉,张其馨,等.石墨纤维增强铝基复合材 料在空间遥感器镜筒结构中的应用.光学精密工程,2009,17(2):368— 374. 北京空间机电研究所曾经采用非连续碳化硅增强 铝基复合材料(SiCp/A1)制造空间相机的镜盒和镜身。 f71李寅雪.纤维增强铝基复合材料在输电导线中的应用,华 北电力技术,2010(8):29—32. 北京航空材料研究院采用无压浸渗复合方法制备了用 作空间光机结构件的高体份SiC/A1复合材料。另外,多 种树脂基碳纤维复合材料还被用来制造空间相机的遮 光罩、镜筒和底板 】。 (6)纤维增强铝基复合材料在输电导线中的应用。 连续氧化铝纤维增强铝基复合芯输电导线以其重 量轻、强度大、蠕变小及线膨胀系数小等优点,逐渐被研 (责编(上接第77页) 玲犀) 余应力分布较为平缓。 (3)在焊接接头边缘处,激光修饰焊较激光焊,由 于边缘效应而产生的残余应力释放,释放幅度较低,从 27%~42%降到10%~18%。 文献 参考 [1]许飞,杨曝,巩水利,等 铝合金激光修饰焊缝成形特征研 究.应用激光,2010,30(5):374—377. 究人员重视。连续氧化铝纤维增强铝基复合材料是首 次应用于输电导线,作为导线的承力部分 。 铝基复合材料具有的特性使其在民用领域中得到 较为广泛的应用。日本丰田公司1983年首次成功地 用A1,O /A1复合材料制备了发动机活塞,与原来的铸 铁发动机活塞相比,质量减轻了5%~10%,热导性提 高了4倍。 铝基复合材料在制造自行车、医疗器具及运动器 械等其他高性能要求的零部件中也得到广泛应用,如 [2]雷玉成,李振南,朱延山,等.CLAM钢激光焊T形接头残 余应力及硬度分析.焊接学报,2012,33(6):73—76. [3]Stone H J.Comparison of three different techniques for measuring the residual stresses in an electron beam-welded plate of WASPALOY.Metallurgical and Materials TransaetionsA.1999,V3OA(7):17 97一l808. 电子封装复合材料、计算机光盘及汽车刹车盘等,促进 这些工业成为新的经济增长点。其作为功能材料,可 望在机械、冶金及建材等工业部门得到更广泛的应用。 【4】张铭,何家文.丝织构对薄膜x射线残余应力分析的影响.机 械工程材料,2001,25(5):21—24. [5]柳铭,宋瑞宏,孑L德军.用x射线应力仪测量凸轮轴表面激 光淬火相变层的残余应力.机械工程材料,2007,31(7):28—31. 4结束语 纵观国内外,对铝基复合材料的应用研究主要集 中在SiC颗粒增强铝基复合材料,并且取得很大的成就。 [6]徐传超.x射线法与应变片法表征残余应力的定量关系研 究 江苏镇江:江苏大学,2011. 【7]张持重,李冬梅,庞绍平,等.采用x射线法测算金属材料 少数国家(如美国、日本、加拿大等)已进入应用阶段, 取得了显著的经济效益。铝基复合材料的应用领域包 括在交通运输工具中的应用,在航空航天领域的应用, 在兵器武装中的应用,在电子和光学仪器中的应用等。 内部残余应力的研究.吉林化工学报,2001,18f41:73 75. [8]梁旭坤,袁海洋,胡永会.铝合金厚板表面边缘应力释放的 实验研究.热加工工艺,2012,41(6):181—183. 19 唐慕尧.焊接测试技术.91北京:机械工业出版社,1988. (责编小城) 2015年第3期・航空制造技术85 

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