1、12随着现代科学技术的飞速发展，人们随着现代科学技术的飞速发展，人们越来越高。越来越高。在在方面，不但要求方面，不但要求强度高强度高，还，还要求其要求其重量要轻重量要轻，尤其是在航空航天领域。，尤其是在航空航天领域。正是为了满足上述要求正是为了满足上述要求而诞生的。而诞生的。3相对于相对于传统的金属材传统的金属材料料来说，具有来说，具有较高的较高的与与；而与而与树脂基复合材料树脂基复合材料相比，它又具有相比，它又具有优良的优良的与与；与与陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比，它又具有和和。4的这些的这些优良的性能优良的性能决决定了它已定了它已从诞生之日起从诞生之日起就成了新材料家族就成了新材
2、料家族中的重要一员，它已经在一些领域里得到中的重要一员，它已经在一些领域里得到应用并且其应用领域正在逐步扩大。应用并且其应用领域正在逐步扩大。5金属基复合材料是金属基复合材料是，而制得的复合材而制得的复合材料。因此，对这种材料的分类既可料。因此，对这种材料的分类既可来进行、也可来进行、也可来进行。来进行。67这是在金属基复合材料中这是在金属基复合材料中的的一种。由于一种。由于为为结构，因此结构，因此具有具有良好的良好的，再加之它所具有的，再加之它所具有的、及及等优点，等优点，为其为其在工程上应用在工程上应用创造了有利的条件。创造了有利的条件。8在在制造铝基复合材料制造铝基复合材料时，通常并不是
3、使用时，通常并不是使用纯铝而是纯铝而是。这主要是由于这主要是由于与纯铝相比与纯铝相比，。至于选择何种铝合金做基体，。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中则根据实际中对复合材料的性能需要对复合材料的性能需要来决定。来决定。9这种复合材料是以这种复合材料是以制造的。由于镍的制造的。由于镍的，因此这，因此这种复合材料主要是用于制造种复合材料主要是用于制造高温下工作的高温下工作的零部件零部件。10人们研制人们研制的一个重要目的一个重要目的，即是希望用它来制造的，即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片燃汽轮机的叶片，从而进一步从而进一步提高燃汽轮机的工作温度提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于但目前由于及及等
4、问题等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。尚未解决，所以还未能取得满意的结果。11比任何其它的结构材料具有比任何其它的结构材料具有。此外，钛此外，钛在中温时在中温时比铝合金比铝合金。12因此，对飞机结构来说，当速度因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速从亚音速提高到提高到超音速超音速时，时，。13随着随着速度的进一步加快速度的进一步加快，还需要，还需要，采用，采用更细长的机冀更细长的机冀和和其其它冀型它冀型，为此需要，为此需要，而，而恰可满足这种对材料刚度的要求。恰可满足这种对材料刚度的要求。14钛基复合材料中钛基复合材料中最常用的增强体是最常用的增强体是，这是由于，这是由于钛与硼的热膨胀系
5、数比较接近钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。如下表所示。1516这里的这里的颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料是指弥散的是指弥散的硬质硬质的复合材料，的复合材料，而不包括那种而不包括那种很低的弥散很低的弥散强化金属。强化金属。17此外，此外，颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料的的一般大于一般大于1um。在这种复合材料中，在这种复合材料中，是主要的是主要的承载相承载相，而，而的作用则在于的作用则在于和和。18虽然虽然颗粒复合材料颗粒复合材料的的通常取决于通常取决于、和和，但是基体性，但是基体性能也很重要。能也很重要。除此以外，这种材料的性能还对除此以外，这种材料的性能还对及及十分敏感。十分敏感
6、。19这种复合材料是指这种复合材料是指，含有，含有重复排列的重复排列的、片层状增强物片层状增强物的复合材料。的复合材料。20层状复合材料的层状复合材料的和和比较接近，而与比较接近，而与晶须或纤维类晶须或纤维类差别较大。差别较大。因为因为相当相当于结构件的大小于结构件的大小，因此，因此可以可以成为成为长度和构件相同的长度和构件相同的。21由于由于不如不如纤维增强相纤维增强相高高，因此，因此层状结构复合材料的强度层状结构复合材料的强度受到了受到了限制。限制。然而，在然而，在增强平面的各个方向增强平面的各个方向上，上，这，这与与纤维单向增强的复合材料相比纤维单向增强的复合材料相比具有明显具有明显的优
7、越性。的优越性。22金属基复合材料中的纤维金属基复合材料中的纤维可分为可分为、和和，它，它们均属于们均属于。因此，因此，由纤维增强的复合材料由纤维增强的复合材料均表现均表现出明显的出明显的特征。特征。23当当用用增增强时，强时，和和是复合材料是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料具有相当大的作用。具有相当大的作用。24虽然各种复合材料中的增强体不同，虽然各种复合材料中的增强体不同，但它们都具有但它们都具有。由于由于能够能够最有效地增强最有效地增强金属基体金属基体，因此这里将对此进行重点讨论。，因此这里将对此进行重点讨论。25对对的要求如下：的要求如下：。纤维
8、的高强度首先是为。纤维的高强度首先是为了了满足复合材料强度的需要满足复合材料强度的需要，其次还可，其次还可使整个加工制造过程简单使整个加工制造过程简单。26。对于金属基复合材料而言，。对于金属基复合材料而言，这种性能是非常重要的，这是为了这种性能是非常重要的，这是为了使纤维使纤维承载时承载时，。如果。如果在重要在重要结构上结构上应用，这个条件对工业生产的要求应用，这个条件对工业生产的要求是十分必要的。是十分必要的。27。对所有纤维来说，对所有纤维来说，和和是很重要的。是很重要的。28。对于采用。对于采用固相固相制造法的金属基复合材料制造法的金属基复合材料，更加合适。更加合适。由于由于纤维的表面
9、积小纤维的表面积小，化学反应也比化学反应也比较小较小，故借助，故借助，这些，这些，29。对于对于或或，这种要求，这种要求是非常重要的。是非常重要的。由于由于复合材料的强度复合材料的强度取决于取决于，这种，这种束强度与每个纤维的强度束强度与每个纤维的强度有关。因有关。因此，需使此，需使。30。对对或或特别敏感，特别敏感，这些缺点对一般复合工艺都有不利影响。这些缺点对一般复合工艺都有不利影响。31一些增强纤维的典型性能一些增强纤维的典型性能 下表列出了一些下表列出了一些重要的增强纤维及其性能重要的增强纤维及其性能32从表中可以看到，像从表中可以看到，像“”(钢丝钢丝)和和等等高强度丝高强度丝，就是
10、，就是由于具有高强度由于具有高强度才成为特别有用的增强材料。才成为特别有用的增强材料。33和和具有优良的具有优良的比强度和低成本比强度和低成本，因此可以说是树脂基的，因此可以说是树脂基的最重要的增强纤维。最重要的增强纤维。但由于这些纤维但由于这些纤维且且，所以很少用来增强金属。，所以很少用来增强金属。34是用从熔体中是用从熔体中提拉子晶的提拉子晶的方法方法生产的，这种单晶纤维的典型直径为生产的，这种单晶纤维的典型直径为250um，。但。但，而且，而且。35用用铝合金和镁合金铝合金和镁合金时，具时，具有有。用用三氯化硼气体三氯化硼气体通过化学气相沉积法通过化学气相沉积法可获得硼纤维，可获得硼纤维
11、，将硼沉积在将硼沉积在1200 的钨底的钨底丝上丝上。36用用，主要是由于它的，主要是由于它的、且且，但有时也用，但有时也用及及作底丝。作底丝。37具有一系列很突出的优点，具有一系列很突出的优点，它的它的，与固态铝和液，与固态铝和液态镁的态镁的，且且。38 B4C纤维和纤维和SiC纤维已有实验室规模的纤维已有实验室规模的生产。这种纤维的生产。这种纤维的生产方法与硼纤维十分相生产方法与硼纤维十分相似似，也是，也是的。这些沉积物都是的。这些沉积物都是，对，对十分敏感。十分敏感。39B4C和和SiC纤维的纤维的比比硼纤维硼纤维，因，因此这些纤维主要作为此这些纤维主要作为。40或或有有优良的比模量和比
12、强优良的比模量和比强度度。其。其通常与通常与有关，有关，一般可达一般可达240250GPa。但由于这种纤维但由于这种纤维，使，使复合材料加工因维，从而复合材料加工因维，从而使其作为金属基体使其作为金属基体的增强体的应用的增强体的应用受到限制。受到限制。41由于大多数由于大多数均表现出均表现出，所以，所以在各个方向上的强度在各个方向上的强度也不也不尽相同。尽相同。以以为例，则为例，则表现为表现为与与的差异。的差异。42与弹性性能不同，不代表整与弹性性能不同，不代表整个测试段上的平均性能，而个测试段上的平均性能，而。43可以定义为可以定义为。一般情况下，一般情况下，是指是指，而不是瞬断面积上的应力
13、。，而不是瞬断面积上的应力。44在在静态拉伸应力条件下静态拉伸应力条件下，判别抗拉强度，判别抗拉强度时，是时，是计算的计算的。对于对于，则是由于则是由于载荷不断增加载荷不断增加，纤维不断断裂纤维不断断裂，承承载能力相继下降载能力相继下降从而导致了材料的破坏。从而导致了材料的破坏。45复合材料复合材料同同间的关系间的关系可用如下的公式表示：可用如下的公式表示：MMFFCVV.*式中，式中，C*表示复合材料的抗拉强度，即复合表示复合材料的抗拉强度，即复合材料材料原始面积上的原始面积上的应力；应力；F为为所有纤维上的所有纤维上的平均平均应力；应力；M是是基体在断裂时基体在断裂时的平均应力；的平均应力
14、；VF和和VM是纤维和基体的体积分数。是纤维和基体的体积分数。46如果如果存在，则应有存在，则应有 1MFVV如果如果所有纤维的强度相近所有纤维的强度相近，剩下的基体，剩下的基体在纤维断裂时又不能承受载荷，这时在纤维断裂时又不能承受载荷，这时就等就等于于，而，而可以认为是可以认为是在基体在基体应变等于纤维断裂应变时应变等于纤维断裂应变时的的。47McDaniels等人对此曾用等人对此曾用进行了研究，并将进行了研究，并将复合材料的强度绘成纤复合材料的强度绘成纤维体积比的函数维体积比的函数，如下图所示。，如下图所示。48高强度脆性纤维同韧性基体的强度混合定则高强度脆性纤维同韧性基体的强度混合定则纤
15、维体积比纤维体积比VF应力应力 49从图中可以看出，仅在从图中可以看出，仅在时，下列公式才可适用时，下列公式才可适用MMFFCVV.*如果如果纤维体积比比较低纤维体积比比较低，基体在全部纤维基体在全部纤维断裂后仍能承受载荷断裂后仍能承受载荷，这与上面的假设不符。，这与上面的假设不符。50上述公式应该采用上述公式应该采用，由于脆性纤维的由于脆性纤维的故故有效强度值却不能简单测定有效强度值却不能简单测定。MMFFCVV.*51 尽管尽管当纤维强度相近时当纤维强度相近时可以采用可以采用，但对硼这样的，但对硼这样的脆性纤维脆性纤维，用，用纤维纤维平均强度平均强度并不能很好地预测复合材料并不能很好地预测
16、复合材料的的抗拉强度。抗拉强度。52当当时，引起时，引起三种重要的变化三种重要的变化。(A)由于由于，而使，而使。(B)破断纤维裂纹周围的破断纤维裂纹周围的会降会降低材料的有效强度。低材料的有效强度。(C)破断纤维失去载荷时产生的破断纤维失去载荷时产生的会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上会使复合材料受到冲击，从而降低该处横面上的瞬时承载能力。的瞬时承载能力。53 第一种变化也与基体内的第一种变化也与基体内的有关。有关。在纤维破断位置上，由于在纤维破断位置上，由于而使材料强度有相应的损失。而使材料强度有相应的损失。54 在在以下的纤维段以下的纤维段上，上，纤维承载能力的减少量纤维承载能力的
17、减少量等于等于基体剪基体剪切应力回传给破断纤维段上的切应力回传给破断纤维段上的。55如果如果是无限长，则确定是无限长，则确定这种纤维强度时，或者测试这种纤维强度时，或者测试，或者测试，或者测试，然后算出，然后算出。56破断纤维端周围的破断纤维端周围的也会也会降降低复合材料的有效强度低复合材料的有效强度。复合材料的一项重要性能复合材料的一项重要性能即是即是，。因为基体中因为基体中接近接近于于而而低于纤维的断裂应力低于纤维的断裂应力。57例如，在例如，在中，在铝中扩展中，在铝中扩展的的可以达到可以达到350MPa，而纤维而纤维的的接近接近4.2GPa。因此在这种复合系统中，因此在这种复合系统中，不
18、会导致不稳定的裂纹生长。不会导致不稳定的裂纹生长。这种这种示于下图。示于下图。58负荷负荷纤维纤维基体基体负荷负荷复合材料中的裂纹钝化复合材料中的裂纹钝化(a)界面开裂界面开裂(b)基体剪切变形和开裂基体剪切变形和开裂(a)(b)59而在而在系统中，纤维和基体系统中，纤维和基体的强度比更接近于的强度比更接近于2:1，这时，这时会使复合材料会使复合材料和和。虽然虽然并没有严重削弱硼并没有严重削弱硼-铝铝复合材料，但复合材料，但是严重的。是严重的。60在纤维破断位置上在纤维破断位置上，由于受到束缚，由于受到束缚，。因。因基体不能承担基体不能承担破断纤维原来承受的高载荷破断纤维原来承受的高载荷，这些
19、剪切力主要由这些剪切力主要由。如果如果最邻近的纤维最邻近的纤维没有破坏，则没有破坏，则不会有不会有局部应力传到更远的纤维上局部应力传到更远的纤维上。61附加附加在未破断纤维上的局部张应力在未破断纤维上的局部张应力会会导致导致，因为，因为次邻近纤维次邻近纤维的破断的破断甚至会产生甚至会产生；下图给出了下图给出了的示意图。的示意图。6263如果这些力如果这些力平均分配在最近邻的六根纤平均分配在最近邻的六根纤维上维上及平均纤维应力是及平均纤维应力是2.8GPa时，则在纤维时，则在纤维断裂时，断裂时，就就是是2.8GPa，或者说每邻近纤维上的附加张应或者说每邻近纤维上的附加张应力是力是0.45GPa。
20、64纤维断裂处的附加应力值最大，而在离纤维断裂处的附加应力值最大，而在离开断头端的距离等于开断头端的距离等于处，处，附加应力减小到零。附加应力减小到零。65当弱纤维断裂时，当弱纤维断裂时，与由此产生的与由此产生的有关。金属有关。金属基复合材料中的断裂通常用基复合材料中的断裂通常用检查。检查。主要被试样所吸收，但关于主要被试样所吸收，但关于它它对复合材料抗拉强度的影响对复合材料抗拉强度的影响还没有定量的还没有定量的研究。研究。66总之，总之，和和之间的之间的关系比弹性模量关系比弹性模量更为复杂更为复杂，因为，因为有关，而不是整个材料的平均常数。有关，而不是整个材料的平均常数。虽然对纤维有效强度能
21、预测的复合材料，虽然对纤维有效强度能预测的复合材料，可以采用可以采用计算复合材料强度。但对计算复合材料强度。但对含脆性增强纤维的复合材料含脆性增强纤维的复合材料，这种计算就不，这种计算就不很精确了。很精确了。67 金属基复合材料的金属基复合材料的比纵向性能复杂。它通常采用一些假设。比纵向性能复杂。它通常采用一些假设。68在在时，所采用的假设如下：时，所采用的假设如下：(1)两组元两组元在达到断裂应力前在达到断裂应力前都是都是的；的；(2)界面结合是完好的；界面结合是完好的；(3)纤维排列是规则的。纤维排列是规则的。69由这些假设可以推导出由这些假设可以推导出E22和复合材料和复合材料1)/(1
22、1222EE70下图为下图为纤维正方排列的纤维正方排列的是是的函数，的函数，也是也是的函数。的函数。71圆纤维正方排列的复合材料的归一化横向刚度圆纤维正方排列的复合材料的归一化横向刚度72上图表明，金属基体内的上图表明，金属基体内的对对有很大影响。有很大影响。例如，例如，60的硼的硼-铝复合材料的铝复合材料的横向模横向模量接近于基体的三倍量接近于基体的三倍。73这种这种并不能代表并不能代表复复合材料的横向强度合材料的横向强度，因为复合材料都，因为复合材料都。此外，由于此外，由于基体受到纤维的严重束缚基体受到纤维的严重束缚，复合材料的断裂应变复合材料的断裂应变比比非束缚基体材料的相非束缚基体材料
23、的相应值应值要小得多。要小得多。74由于复合材料包含有由于复合材料包含有两种或两种以两种或两种以上的相上的相，要使组分间具有良好的配合，要使组分间具有良好的配合，则这两相间必须具备则这两相间必须具备和和。75对对而言，用而言，用金属基复合材料的金属基复合材料的物理相容性问题物理相容性问题一般一般都和都和，或，或热变化时反映材料伸缩性热变化时反映材料伸缩性能的能的有关。有关。化学相容性问题化学相容性问题主要与复合材料加工过主要与复合材料加工过程中的程中的、以及以及等因素有关。等因素有关。76所谓所谓，是指，是指，从而能够，从而能够将外部将外部结构载荷均匀地传递到增强物上结构载荷均匀地传递到增强物
24、上，而不，而不会有明显的不连续现象。会有明显的不连续现象。77基体和增强体之间基体和增强体之间的一个非常重要的的一个非常重要的物理关系物理关系是是，因为，因为基体通常是基体通常是韧性较好的材料韧性较好的材料，因此最好是基体有较高，因此最好是基体有较高的热膨胀系数。这是因为膨胀系数较高的的热膨胀系数。这是因为膨胀系数较高的相相从较高的加工温度冷却时从较高的加工温度冷却时将受到张应力。将受到张应力。78对于对于，一般都是，一般都是、处于压缩状态比较处于压缩状态比较有利有利。而对于像钛这类。而对于像钛这类，一般却要求避免一般却要求避免高的残余热应力高的残余热应力，因此，因此热热膨胀系数不应相差太大膨
25、胀系数不应相差太大。79是一个更加复杂的问题。是一个更加复杂的问题。对于对于原生复合材料原生复合材料，在制造过程中是，在制造过程中是。例如，在平衡状态下例如，在平衡状态下凝固的共晶复合凝固的共晶复合材料材料，对于这类晶体，其，对于这类晶体，其两相化学势相等两相化学势相等，而而比表面能效应比表面能效应也最小。也最小。80如果这种复合材料如果这种复合材料有明显的有明显的，就会产生，就会产生不稳不稳定问题定问题；在在人造复合材料人造复合材料中，两相间发生中，两相间发生有害有害反应的化学动力学过程反应的化学动力学过程也相当缓慢，一般也相当缓慢，一般可以满足相容性要求。可以满足相容性要求。81对于对于，
26、化学相容性，化学相容性问题要严重得多。如采用问题要严重得多。如采用石墨增强纤维时石墨增强纤维时，纤维的浸润和结合纤维的浸润和结合都非常困难，在使两相都非常困难，在使两相结合方面就会产生问题。结合方面就会产生问题。还有还有也是加工也是加工过程中遇到酌一个严重问题。高强度脆性过程中遇到酌一个严重问题。高强度脆性纤维的有害反应包括纤维的有害反应包括和和。也会使纤维损伤。也会使纤维损伤。82则是则是更重要的更重要的相容性问题相容性问题。对于像硼对于像硼-铝这样的铝这样的低温金属基复合材低温金属基复合材料料，可以靠，可以靠来避免两相间来避免两相间的化学反应。的化学反应。83对对蠕变强度低的基体蠕变强度低
27、的基体，采用，采用也能获得良好的固结和粘合。也能获得良好的固结和粘合。像像硼硼-镁镁或或钨钨-铜等铜等复合系，因为复合系，因为两两相间不反应，不互镕相间不反应，不互镕，因此可以采用，因此可以采用制造。制造。84但对于但对于而言，以下的而言，以下的与化学与化学相容性有关的问题相容性有关的问题则十分重要。则十分重要。(1)F-；(2)U-；(3)T-；(4)D-；85第一个问题第一个问题 F，不仅对不仅对，而，而且对且对都是很重要的。都是很重要的。纤维和基体反应的自由能变化纤维和基体反应的自由能变化代表代表，在高温下该值的大小变得更加，在高温下该值的大小变得更加重要。设计高温复合材料的材料工作者应
28、该重要。设计高温复合材料的材料工作者应该确定确定所选系统所选系统可能发生的反应的自由能变化。可能发生的反应的自由能变化。86化学相容性的第二个问题是化学相容性的第二个问题是关于关于。如果如果各组分相间的化学势不等各组分相间的化学势不等，常常会，常常会导致导致而使纤维性能下降。而使纤维性能下降。例如，欲用例如，欲用氧化铝和镍合金氧化铝和镍合金组成复合材组成复合材料，料，为防止铝扩散为防止铝扩散，铝，铝(和氧等和氧等)在两相中的在两相中的化学势必须相等。化学势必须相等。87可能非常高，因可能非常高，因而而使界面很不稳定使界面很不稳定。这个问题对。这个问题对是很重要的。而对是很重要的。而对碳化钨加钴
29、复碳化钨加钴复合系合系来说，其来说，其表面能关系则是有利的表面能关系则是有利的。88由由晶界或表面扩散系数控制的晶界或表面扩散系数控制的常使复合系中常使复合系中两组分相的关系两组分相的关系发生很大发生很大变化。变化。例如，钨丝增强镍合金中碰到的一个重例如，钨丝增强镍合金中碰到的一个重要问题即是镍向钨晶界扩散，从而导致钨丝要问题即是镍向钨晶界扩散，从而导致钨丝再结晶温度下降。再结晶温度下降。89另外，还有一些另外，还有一些，如，如和和。在复合材料中，如果在复合材料中，如果某一相的间隙某一相的间隙氢浓度偏高氢浓度偏高，便会危及另一相，便会危及另一相从而会发从而会发生氢脆生氢脆。90一、铝基复合材料
30、的特点一、铝基复合材料的特点 航空航天工业中需要大型的、重量轻的结航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音构材料，例如波音747大型运输机、远距离大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问题之一就涉及到平方计这些结构时，问题之一就涉及到平方立立方尺寸关系，即结构的强度与刚度随其尺寸方尺寸关系，即结构的强度与刚度随其尺寸的平方增加而重量却随其线尺寸的立方增的平方增加而重量却随其线尺寸的立方增加。所以，假若要保证大型结构的机动性和加。所以，假若要保证大型结构的机动性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。高效率，就需
31、要更完善的设计和更好的材料。91复合材料的一个主要目标就是应用像硼那样复合材料的一个主要目标就是应用像硼那样极高强度的共价结合纤维与适合于结构制造极高强度的共价结合纤维与适合于结构制造和应用的基体来克服这些限制。而铝则是被和应用的基体来克服这些限制。而铝则是被选用最广的基体材料。选用最广的基体材料。目前关于硼目前关于硼铝复合材料的研究主要包括铝复合材料的研究主要包括以下几个方面的内容：以下几个方面的内容：(1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中显得尤为重要。这在航空航天领域中显得尤为重要。(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐改进大型构件的
32、制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。用的材料及构件。(3)改进硼改进硼铝复合材料的制造应用技术，铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降低。促使其成本尽可能降低。92 与树脂基复合材料相比，硼铝的弹性模量更与树脂基复合材料相比，硼铝的弹性模量更接近各向同性，而且其非轴向强度也较高。接近各向同性，而且其非轴向强度也较高。硼硼铝复合材料的横向抗拉强度和剪切强度铝复合材料的横向抗拉强度和剪切强度大约与铝合金基体的强度相等这就比树脂大约与铝合金基体的强度相等这就比树脂基材料可能达到的强度要高得多。基材料可能达到的强度要高得多。93除上述特点外，硼除上述特点外，硼铝复合材料的其它重铝复合材料的其它重
33、要物理性能与机械性能有，高的导电件和要物理性能与机械性能有，高的导电件和导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂复性、导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂复性、连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要的。而硼性也常常是重要的。而硼铝复合材料的铝复合材料的优越性能则为其应用提供了有利的保障。优越性能则为其应用提供了有利的保障。94 二、硼铝复合材料二、硼铝复合材料 作为结构应用来说，选择复合材料组元的主作为结构应用来说，选择复合材料组元的主要目标是高比模量和高比强度，硼要目标是高比模量和
34、高比强度，硼-铝复铝复合材料因此在研究与发展上受到了很大的重合材料因此在研究与发展上受到了很大的重视。视。951增强纤维增强纤维 对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复合材料。与这些要求有关的纤维主要性能已列合材料。与这些要求有关的纤维主要性能已列于表于表62中，在表中的每一种纤维与硼纤维相中，在表中的每一种纤维与硼纤维相比都各有缺点。比都各有缺点。96玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应。氧化铝纤维的比模量和比强度较与铝起
35、反应。氧化铝纤维的比模量和比强度较低且价格昂贵。碳化硅纤维与铝的反应比硼小，低且价格昂贵。碳化硅纤维与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使用但其密度比硼高并已作为硼纤维的涂层使用但其密度比硼高30、且强度较低。高模量石墨纤维似乎很有、且强度较低。高模量石墨纤维似乎很有吸引力，但它以纱线形式出现却是一个严重缺吸引力，但它以纱线形式出现却是一个严重缺点，因为用固态制造方法很难使金属渗入为数点，因为用固态制造方法很难使金属渗入为数一万根的纤维束中，而熔融的铝合金又会与纤一万根的纤维束中，而熔融的铝合金又会与纤维起剧烈反应。维起剧烈反应。-钛合金钛合金Ti-6Al-4V的冷拉的冷拉丝材和沉淀硬化钢丝
36、材和沉淀硬化钢“火箭火箭”丝丝NS355，内于内于密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。密度大而在比强度和比模量上难以与硼相比。冷拉铍丝性能好，但生产成本太高也限制了其冷拉铍丝性能好，但生产成本太高也限制了其应用。应用。97 硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原硼纤维是用化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成的。将钨丝电阻加热到三氯化硼制成的。将钨丝电阻加热到11001300并连续拉过反应器以获得一定厚度的硼沉并连续拉过反应器以获得一定厚度的硼沉积层这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。积层这样便在钨丝上沉积了颗粒状的无定形硼。目前大量供应的纤维有目前大量供应的纤维有100um和
37、和140um两种直径，两种直径，有的纤维带有有的纤维带有2um厚的碳化硅涂层，其目的是为厚的碳化硅涂层，其目的是为了改进纤维的抗氧化性能。了改进纤维的抗氧化性能。140um硼纤维的室温硼纤维的室温密度为密度为255gcm3。由于硼纤维的表面具有高由于硼纤维的表面具有高的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对表的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对表面磨损和腐蚀不敏感，这是硼纤维的一项很有意面磨损和腐蚀不敏感，这是硼纤维的一项很有意义的特性。义的特性。98此外，硼纤维还具有良好的高温性能，此外，硼纤维还具有良好的高温性能，它在它在600时仍保持时仍保持75强度，在强度，在600和和700时的蠕
38、变性能比钨还好。时的蠕变性能比钨还好。但在但在500以上暴露于氧气中短时间纤以上暴露于氧气中短时间纤维的强度就会严重受损，在表面涂一维的强度就会严重受损，在表面涂一层碳化硅正是为了防止这种破坏作用。层碳化硅正是为了防止这种破坏作用。99 2基基 体体 硼纤维选择铝合金作为基体是出于铝合金硼纤维选择铝合金作为基体是出于铝合金具有良好的综合性能。所谓良好的综合性能具有良好的综合性能。所谓良好的综合性能是指良好的结合性能，较高的断裂韧性较是指良好的结合性能，较高的断裂韧性较强的阻止在纤维断裂或劈裂处的裂纹扩展能强的阻止在纤维断裂或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较高的强度等。对于力；较强的抗腐
39、蚀性，较高的强度等。对于高温下使用的复合材料还要求基体具有较高温下使用的复合材料还要求基体具有较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊，而对于某些应用还要求基体能熔焊或钎焊，而对于某些应用还要求基体能采用复合蠕变成型技术。采用复合蠕变成型技术。100目前普遍使用的铝台金有变形铝、铸造铝、目前普遍使用的铝台金有变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝等。这些铝合金并不完全焊接铝及烧结铝等。这些铝合金并不完全符合硼纤维对金属基体的要求但某些合符合硼纤维对金属基体的要求但某些合金已得到了成功的使用，这其中最普遍的金已得到了成功的使用，这其中最普遍的是采用变形铝为
40、基体用固态热压法制得的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合材料。复合材料。101 三、铝基复合材料的制造三、铝基复合材料的制造 复合材料的制造包括将复合材料的复合材料的制造包括将复合材料的组分组装并压合成适于制造复合材料组分组装并压合成适于制造复合材料零件的形状。常用的工艺有两种，第零件的形状。常用的工艺有两种，第一种是纤维与基体的组装压合和零件一种是纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行；第二种是先加工成复成型同时进行；第二种是先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。前一种工艺类似成最终形状的零件。前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先
41、铸锭然后于铸件，后一种则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。再锻成零件的形状。102制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组分的组装压合和零件层压。大多数硼料组分的组装压合和零件层压。大多数硼铝铝复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。前述的两种工艺具有十分相似的制造工艺，这前述的两种工艺具有十分相似的制造工艺，这就是把树脂粘合的或者是等离子喷涂的条带预就是把树脂粘合的或者是等离子喷涂的条带预制品再经过热压扩散结合。制品再经过热压扩散结合。1031挥发性粘合剂工艺挥发性粘合剂工艺 这种工艺是一种直接的方法，几乎这
42、种工艺是一种直接的方法，几乎不需要什么重要设备或专门技术。制不需要什么重要设备或专门技术。制造预制品的材料包括成卷的硼纤维、造预制品的材料包括成卷的硼纤维、铝合金箔、气化后不留残渣的易挥发铝合金箔、气化后不留残渣的易挥发树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应结合适当的纤维间距来选择，通常为结合适当的纤维间距来选择，通常为5075um。104 所用的纤维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕所用的纤维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕和从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带：前和从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带：前一种工艺因为简单而较常使用。利用滚筒缠绕一种工艺因为简单而较常使用。利用滚
43、筒缠绕可能做成幅片，其尺寸等于滚筒的宽度和围长。可能做成幅片，其尺寸等于滚筒的宽度和围长。由于简单的螺杆机构便能保证纤维盘的移动与由于简单的螺杆机构便能保证纤维盘的移动与滚筒转动相配合，故能使间距非常精确和满足滚筒转动相配合，故能使间距非常精确和满足张力控制。张力控制。105第二种纤维排列法是制造连续多丝条带，它第二种纤维排列法是制造连续多丝条带，它要求更完善的设备条件。目前的设备可同时要求更完善的设备条件。目前的设备可同时输出输出600根脆性丝。根脆性丝。等离子喷涂的硼等离子喷涂的硼铝带用同样的方法制造，铝带用同样的方法制造，只是不喷挥发性粘合剂而在纤维一箔片上只是不喷挥发性粘合剂而在纤维一
44、箔片上喷一层基体铝合金，将纤维和箔片粘在一起。喷一层基体铝合金，将纤维和箔片粘在一起。因为选择的等离子喷涂合金与箔基体相同，因为选择的等离子喷涂合金与箔基体相同，所以这两种材料都变成基体的一部分。铝合所以这两种材料都变成基体的一部分。铝合金粉注入到灼热的等离子气流中并在放热区金粉注入到灼热的等离子气流中并在放热区内被熔化。熔融质点打在纤维内被熔化。熔融质点打在纤维箔片上并急箔片上并急冷到纤维的反应温度以下。由于纤维周围充冷到纤维的反应温度以下。由于纤维周围充满了等离子焰射流中含有的惰性气体，因而满了等离子焰射流中含有的惰性气体，因而能防止纤维氧化。能防止纤维氧化。106 这种工艺的优点是，纤维
45、在缠绕筒上就被基这种工艺的优点是，纤维在缠绕筒上就被基体同定住，因而纤维间距好控制，喷涂条带体同定住，因而纤维间距好控制，喷涂条带的耐久性和强度好，以及易于复合粘结的耐久性和强度好，以及易于复合粘结。用挥发性粘合剂和等离子喷涂工艺生产的用挥发性粘合剂和等离子喷涂工艺生产的“毛料毛料”预制带还必须经叠片和压合才能做预制带还必须经叠片和压合才能做成复合材料：采用挥发性粘合剂方法时，粘成复合材料：采用挥发性粘合剂方法时，粘合剂必需在热压结之前排除。这一步骤直接合剂必需在热压结之前排除。这一步骤直接在高压焊合之前进行因为在树脂粘合剂挥在高压焊合之前进行因为在树脂粘合剂挥发之后必须依靠机械作用使纤维和铝
46、箔保持发之后必须依靠机械作用使纤维和铝箔保持原位。原位。107叠片过程包括先把顶制品剪切成一定形状，叠片过程包括先把顶制品剪切成一定形状，然后将其铺放在热压模或平压板上。剪切时然后将其铺放在热压模或平压板上。剪切时一般采用比较简单的单片剪切。剪切机可以一般采用比较简单的单片剪切。剪切机可以类似于板金剪切机、剪刀或糕点扣模。类似于板金剪切机、剪刀或糕点扣模。假若使用平板热压，通常要将叠层封装在套假若使用平板热压，通常要将叠层封装在套内，因为控制气氛对防止铝或硼在高温下氧内，因为控制气氛对防止铝或硼在高温下氧化是很重要的。在平板之间压制的典型封装化是很重要的。在平板之间压制的典型封装复合材料的基体
47、均硼纤维各占复合材料的基体均硼纤维各占50(体积比体积比)。108若要制造复杂形状的零件，则使用成型若要制造复杂形状的零件，则使用成型模具热压叠层这种叠层可以含有许多模具热压叠层这种叠层可以含有许多复杂形状的单片。层片用滚压剪切的方复杂形状的单片。层片用滚压剪切的方法切割，其方法与扣制糕点类似，随后法切割，其方法与扣制糕点类似，随后将这些层片叠好并在叶形模具中压制。将这些层片叠好并在叶形模具中压制。这两种工艺都能用来热压长零件。这两种工艺都能用来热压长零件。109控制热压条件控制热压条件温度、压力、时间和气温度、压力、时间和气氛是非常重要的。否则恶劣的条件会使氛是非常重要的。否则恶劣的条件会使
48、复合材料强度减低并使铝的扩散结合不好。复合材料强度减低并使铝的扩散结合不好。在使用未涂复的硼纤维时可用的时间在使用未涂复的硼纤维时可用的时间温温度条件范围很小。然而用促进大范围塑度条件范围很小。然而用促进大范围塑性变形的方法如像疏松的等离子喷涂的性变形的方法如像疏松的等离子喷涂的压实或像挤压的情况，则热压时间可以大压实或像挤压的情况，则热压时间可以大大缩短。若采用的时间相当短，就可选用大缩短。若采用的时间相当短，就可选用较高的温度。压力一般要求超过较高的温度。压力一般要求超过70MPa，为了防止硼的氧化，要在更长的时间内保为了防止硼的氧化，要在更长的时间内保持氧的分压很低。持氧的分压很低。11
49、0在硼在硼铝的压合中有下铝的压合中有下述一些重要的限制：述一些重要的限制：(1)纤维损伤问题限制纤维损伤问题限制了时间了时间温度参数。温度参数。(2)为保证铝的结合和为保证铝的结合和消除孔隙度、时间消除孔隙度、时间温温度度-压力参数必须高于门压力参数必须高于门限值，因为这是一个受限值，因为这是一个受蠕变和扩散限制的过程。蠕变和扩散限制的过程。111(3)高压力会增加纤维的断裂高压力会增加纤维的断裂c (4)为防止硼氧化要求仔细控制气氛。为防止硼氧化要求仔细控制气氛。若硼纤维用碳化硅涂覆，这些限制大多若硼纤维用碳化硅涂覆，这些限制大多可以放宽或不予考虑，因为在制造过程中可以放宽或不予考虑，因为在
50、制造过程中可以使用高得多的温度而不会使纤维损伤。可以使用高得多的温度而不会使纤维损伤。112在制造复合材料时，在硼和铝合金中还可加在制造复合材料时，在硼和铝合金中还可加入第三种组元以改进一些性能如高温横向入第三种组元以改进一些性能如高温横向性能、抗腐蚀性和韧性等。目前两种最有效性能、抗腐蚀性和韧性等。目前两种最有效的附加物是钛箔和高强度的附加物是钛箔和高强度“火箭丝火箭丝”。因为。因为铝基体同这些第三组元的结合条件与铝本身铝基体同这些第三组元的结合条件与铝本身自结合的参数相同，所以把钛箔或自结合的参数相同，所以把钛箔或“火箭火箭”丝加到预制品中并结合成复合材料还是比较丝加到预制品中并结合成复合
