浅谈金属基复合材料在航空航天领域的应用与发展

摘 要：金属基复合材料以其高比强度、高比模量、耐热、耐磨、导电、导热、不吸潮、抗辐射和低热膨胀率等性能与优点，被探索性的应用于电子、汽车工业及航空航天领域。该文在概述金属基复合材料及其分类基础上，阐释分析了金属基复合材料在航空航天及相关领域的探索应用，并就金属基复合材料在该领域的未来研究改进与发展应用进行了预测性分析；以期对更好促进金属基复合材料性能改进及在航空航天领域的科学应用有所帮助。

关键词：金属基复合材料 航空 航天 应用 发展

中图分类号：V257 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（c）-0016-03

20世纪的材料科学领域获得了重大发展，其中复合材料占有着重要的一席之地；作为先进复合材料代表的金属基复合材料，成为世界发达国家争夺技术优势而竞相发展的热点。所谓金属基复合材料（简称为MMC），其是以某种金属或者金属合金为基体，与一种或者多种金属、非金属增强相而人工合成获得的复合型材料；金属基复合材料，与当前的聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料及碳-碳复合材料一同构成了现代复合材料体系。金属基复合材料，以其高比强度、高比模量、耐热、耐磨、导电、导热、不吸潮、抗辐射和低热膨胀率等性能、优点，被探索性的应用于电子工业、汽车工业及航空航天领域。已有研究表明，金属基复合材料在航空航天领域的探索应用，能有效提高航空航天产品的质量水平和技术可靠性，从而极大促进了世界范围内航空航天事业的健康发展。该文欲在概述金属基复合材料及其分类基础上，阐释分析了金属基复合材料在航空航天及相关领域的探索应用，并就金属基复合材料在该领域的未来研究改进与应用发展趋势进行了预测性分析；以期对更好促进金属基复合料性能改进及在航空航天领域的应用有所帮助。

1 金属基复合材料及其分类概述

1.1 金属基复合材料概述

就金属基复合材料的范畴，目前还是一个较有争议的话题；单从复合材料定义角度讲，只要是包含金属相在内的两相、多相材料都可以称之为金属基复合材料；其通常包括定向凝固共晶层片或者纤维组织、双相金属间化合物层片组织、珠光体钢、高硅铝合金等。虽然就上述材料而言，有的学者将其称之为金属合金，而不是金属基复合材料；但是这已不重要，重要的是其所蕴含的“复合”思想已经成为金属材料性能提升和制造水平提高的巨大动力与有效方式，也极大促进了这一新型合金或者复合材料在工业生产各个领域的应用。

1.2 金属基复合材料的分类

就金属基复合材料分类而言，可以采用的分类依据较多。依据可观察性，可以将金属基复合材料分为为宏观组合型和微观强化型两类，宏观组合型金属基复合材料主要指可以用肉眼来识别材料组分及同时具备两组分性能的材料，如：双金属、包履板等；微观强化型金属基复合材料是指其内部组分需要使用显微镜等观察设备才能分辨，而多种材料复合的主要目的在于提高材料强度。依据金属基复合材料所使用的基体不同，可以将金属基复合材料分为钢基、铝基、镁基、铁基和铝合金基等类别。依据增强相形态的不同，可以将金属基复合材料分为颗粒增强金属复合材料、晶须或者短纤维增强金属基复合材料、连续纤维增强金属基复合材料等；所谓颗粒增强金属基复合材料，是指借助于某种颗粒自身的强度，依靠基体将颗粒与材料组合在一起，颗粒平均直径在1 μm左右，强化相容积比达90%以上；纤维增强金属基复合材料，则是借助于无机纤维、金属细线等达到增强材料性能的目的，纤维直径保持在3～150 mm之间，如果使用的是晶须则保证直径不超过1 mm，长度与直径比保持在102以上。上述分类中获得认可较多的是以“基体”为分类依据和以“增强相形态”为分类依据的金属基复合材料。金属基复合材料以其独特的性能、优点，被广泛的、探索性的应用于航空航天零部件产品的生产制造，是一种具有很好发展前途的材料。

2 金属基复合材料在航空航天及相关领域的应用

航空航天领域向来对产品的安全系数、使用寿命要求较高，这也使得航空航天领域成为金属基复合材料应用最具挑战性的领域，特别是在商用、军用飞机及其零部件的生产应用上。这方面国外的探索、应用较国内要较早一些，应用也更多一些，为金属基复合材料在国内相关领域的应用提供了可供借鉴的经验。早在20世纪的80年代，美国著名的武器制造公司洛克希德·马丁公司就开始探索将DWA复合材料公司生产的25%的SiCp/6061Al复合材料作为飞机上承放电子设备的支架来使用，被认为是最早的金属基复合材料应用案例。由于传统的铝合金材料在飞机扭转、旋转引发的力载荷作用下会发生严重变形，进而影响到飞机机体结构的安全；这也使得最近几年，以颗粒增强铝为代表的金属基复合材料开始在飞机上作为主承载结构件使用。

在美国国防部“Title”项目的大力支持下，DWA复合材料公司与洛克希德·马丁公司及空军军方合作，应用粉末冶金法成功制备了碳化硅颗粒增强铝基复合材料，并大胆尝试用作F-16战斗机的腹鳍材料，完全替代替了原有的铝合金蒙皮材料，不仅将刚度提高了50%，有效保证了飞行安全性，也将使寿命由原来的数百小时提高到全寿命8 000 h以上，大大延长了飞机及相关零部件的使用寿命。鉴于良好的应用效果，美国空军军方正准备将这种铝基复合材料腹鳍作为现役F-16战斗机的备用件，逐步进行全面更换。美国空军后勤中心就铝基复合材料应用的评估结果表明：铝基复合材料腹鳍可以大幅减少设备的检修次数，全寿命周期内可以节约检修费用2 600万美元以上，更重要的是可以大大提高飞机的机动性、安全性。

美国除在F-16战斗机中尝试使用铝基复合材料外，F-18（大黄蜂）战斗机上的液压制动器缸体使用的则是碳化硅颗粒增强铝基复合材料，用来代替传统的铝青铜材料，不仅使机体重量得到明显减轻、有效降低缸体的热膨胀系数，最重要的是使缸体的疲劳极限成功提高了一倍。金属基复合材料在直升机应用方面，欧洲国家率先取得进展，由英国航天金属基复合材料公司生产制造的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，被用作直升机旋翼系统连接用模锻件，已在欧直公司生产的N4和EC-120新型直升机上成功应用；应用效果较传统铝合金相比，构件刚度有了30%左右的提高，与钛合金相比，构件重量则下降了1/4。最值得关注的是，从上个世纪九十年代末，碳化硅颗粒增强铝基复合材料开始尝试在大型客机上应用；如：普惠公司从PW4084发动机开始，将以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用作生产风扇出口导流叶片，并用于所有采用PW4000系发动机的波音777飞机上。

近十年来，美国、加拿大等国家开始秘密研制了不少的金属基复合材料，以轻金属基复合装甲材料研究为重点，成功研制与应用了铝基、钛基复合材料；比如，美国空军C-130运输机的防护装甲使用的就是金属基复合材料。另外，美国还成功的将金属基复合材料与陶瓷材料进行了很好结合，将金属良好的韧性、延展性、容易成形和强度高的优点与陶瓷的高硬度、耐烧蚀和重量轻等优点结合起来，形成了一种崭新的金属-陶瓷基复合材料；二者的结合既克服了传统陶瓷的脆性和不能抗弹丸多次打击的弱点，也成功弥补了金属硬度不够和较重的缺点；陶瓷作为增强物之一，为获得不同抗弹性能含量保持在30%～80%不等，该新型复合材料被多次用于制造飞机等防弹装甲。

3 金属基复合材料在航空航天领域的研究与应用趋势

当前，金属基复合材料作为一种新型材料，虽然在性能和应用水平上都有了很大的程度的提升，但就其结构和功能而言还是相对比较简单，还不能完全满足高科技发展对金属基复合材料的高性能、多功能要求；因此，必须进一步改进金属基复合材料的结构，进而优化与改进金属基复合材料的各项功能和性能。下面笔者就金属基复合材料未来研究与改进的重点，提出几点建议，旨在促进金属基复合材料应用在航空航天领域的更好发展。

3.1 从结构优化上改进金属基复合材料的性能

金属基复合材料的各项性能不仅取决于基体、增强体的种类和配比，还取决于增强体、基体的空间配置模式，即人们通常所说的结构；可以考虑从以下几个方面来优化金属基复合材料的结构，从而促进金属基复合材料性能的改进。第一，采用多元复合强化法优化金属基复合材料的结构；即通过引入不同种类、形态、尺度的增强相，借助于增强体本身多元的物性参数，达到优化结构、提高性能的目的。第二，合理利用复合材料强度与韧性/塑性之间的倒置影响关系；将增强体含量控制在合理配比范围内，以便获得最佳使用要求的强度、韧性和塑性。第三，强化层状金属基复合材料研究；金属基复合材料层状结构的改进，是指从微米尺度上，通过增强微叠层来补偿单层材料某些性能上的不足，以此达到满足某种特殊性能需求的目的，如：耐高温、强硬度、强隔热，等。 第四，加强泡沫金属基复合材料研究与应用；泡沫金属基复合材料，俗称多孔金属泡沫，其是最近几年发展成熟起来的一种结构功能材料，具有轻质、高比强度、减振、吸音、阻尼、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能与优点，是交通、建筑及航空航天等领域未来研究与应用的热点。

3.2 用碳纳米管增强金属基纳米复合材料性能

在金属基体中引入均匀弥散的纳米级增强体粒子，所得的复合材料往往可以呈现出更加理想的力学性能和导热、导电、耐磨、耐蚀、耐高温及抗氧化性能。未来可以考虑将金属基纳米复合材料研究的重点放在纳米结构材料应用和纳米涂层生产上。以碳纳米管应用为例，由于其具有优良的力学、电学和热学性能，是制备金属基复合材料较为理想的增强体，随着碳纳米管制备水平提高及其成本价格走低，碳纳米管增强金属基复合材料定是未来研究的热点，也是世界各国复合材料研究领域竞相争夺的技术制高点。因此，有必要通过加强碳纳米管增强金属基复合材料的研究，来缩短我国与世界发达国家在金属基复合材料研究方面的差距。

3.3 促进金属基复合材料结构功能一体化发展

伴随现代科学技术的发展，金属基复合材料的应用需求越来越广，对金属基复合材料也不再仅仅局限于其某些优良的机械性能，对其在多场合服役条件下具有的结构、功能一体化和多功能响应特性等要求越来越高。为了强化金属基复合材料的这种结构功能一体化和多功能响应特性，通过在金属基体中引入的特定的颗粒、晶须或者纤维等异质材料，一方面可以作为增强体提高金属材料的机械性能，另一方面也可以赋予金属材料本身所不具备的某此物理、功能特性。比如，用高热导率的金刚石、高定向热解石墨等作增强相，与铜、铝等高导热金属复合，可以获得高导热率、低膨胀率和低密度的理想金属基复合材料，可以在温度变化场合使用且能够保持尺寸的稳定性，在航空航天结构件生产等领域具有较高的应用价值。

参考文献

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