復(fù)合材料研究新進(jìn)展（一）金屬基復(fù)合材料

復(fù)合構(gòu)料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各組元材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一組元的缺陷。復(fù)合材料按用途可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材判和功能復(fù)合利料，根據(jù)基體種類可分為金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料和炭基復(fù)合材料等，按增強(qiáng)(韌)相可分為顆粒增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、體育器材、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，近幾年更是得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

　　1復(fù)合材料領(lǐng)域的國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)及進(jìn)展

　　1 1金屬基復(fù)合材料

　　金屬基復(fù)合材料是包括顆粒、晶須、纖維增強(qiáng)金屬基體的復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料兼具金屬與非金屬的綜合性能，材料的強(qiáng)韌性、耐磨性、耐熱性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性及耐候性能適應(yīng)廣泛的工程要求，且比強(qiáng)度、比模量及耐熱性超過基體金屬，對(duì)航空航天等尖端領(lǐng)域的發(fā)展具有重要作用。在該類材料中，所用基體金屬包括輕合金(鋁、鎂、鈦)、高溫合金與金屬間化合物，以及鋼、銅、鋅、鉛等；增強(qiáng)纖維包括炭(石墨)、碳化硅、硼、氧化鋁、不銹鋼及鎢等纖維；增強(qiáng)顆粒包括碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、硼化鈦、碳化鈦、碳化硼等；增強(qiáng)晶須包括碳化硅、氧化硅、硼酸鋁、鈦酸鉀等。以上各種基體和增強(qiáng)體可組成大量金屬基復(fù)合材料，但目前多數(shù)處于研發(fā)階段，只有少數(shù)得到應(yīng)用。如硼、石墨纖維增強(qiáng)鋁(鎂)用于衛(wèi)星、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)、空間望遠(yuǎn)鏡部件，碳化硅纖維與顆粒增強(qiáng)鈦合金用于大推比飛機(jī)壓氣機(jī)部件，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(PRA)廣泛用于航空、航天及汽車、電子領(lǐng)域。在金屬基復(fù)合材料中顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料最具發(fā)展?jié)摿ΑＴ摬牧暇哂斜葟?qiáng)度和比模量高，耐磨性、阻尼性及導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異件性能。其主要應(yīng)用領(lǐng)域一是航空、航天和軍事領(lǐng)域，二是汽車、電子信息和高速機(jī)械等民用領(lǐng)域。發(fā)展目標(biāo)是代替鋁合金、鈦合金、鋼等用于制造高性能的構(gòu)件，減重并提高性能和儀器精度。美國(guó)已從Φ455mm圓坯中擠壓出182kg重的SiCp／A1型材，井軋制出尺寸為3050mmXl320mmX 3mm的板材，制造了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星上的零件。加拿大Cercast公司試制了PRA材料飛機(jī)用光學(xué)底座、萬(wàn)向支架等精密鑄件及液壓管、壓氣機(jī)渦殼和衛(wèi)星反動(dòng)輪，代替鋁合金，減重并提高了使用性能。美國(guó)DWA公司用SiC顆粒增強(qiáng)6092鋁基復(fù)合材料代替鋁合金，大規(guī)模用于F16戰(zhàn)斗機(jī)的垂直尾翼，提高壽命1 7倍；代替樹脂基復(fù)合材料用于B777和C-17Globemaster Ⅲ的P&W4000發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片，大幅提高使用壽命并降低成本33％。美國(guó)DWA公司和英國(guó)AMC公司將SiC／Al批量用于EC—120和EC—135直升機(jī)旋翼系統(tǒng)，大幅提高構(gòu)件鋼度和壽命。這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的成功應(yīng)用說明美國(guó)和英國(guó)對(duì)這種材料的應(yīng)用研究已相當(dāng)成熟。

　　研究發(fā)展電子器件封裝用高導(dǎo)熱、低熱膨脹金屬基復(fù)合材料是國(guó)際上金屬基復(fù)合材料研究發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)之一。美國(guó)已研制成功了SiCp／A1、Sip／A1、C／Al等高性能電子封裝用復(fù)合材料，用于高功率密度、高集成密度的電子器件，成為解決電子器件迅速傳熱、散熱問題的關(guān)鍵材料。針對(duì)正迅速發(fā)展的高集成度、高功率密度電子器件的需求，最近研究發(fā)展的電子封裝復(fù)合材料有：碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(SiCp含量為60％一75％)：超高模量、高導(dǎo)熱性瀝青石墨纖維(k1100)增強(qiáng)鋁基、銅基復(fù)合材料及銀基復(fù)合材科。這些材料的導(dǎo)熱系數(shù)為120~630W／(m●k)，熱膨脹系數(shù)0．5～8X 10 -6K-1。電子器件用金屬基復(fù)合材料使用性能要求高、用量大，將成為金屬基復(fù)合材料最主要的發(fā)展方向之一。

　　汽車、高速列車和高速機(jī)械用金屬基復(fù)合材料是當(dāng)前及今后另—個(gè)重要研究方向。鋁基復(fù)合材料(如5iCp／A1)具有重量輕、導(dǎo)熱性好和耐磨的特點(diǎn)，是一種新型的剎車盤、活塞、連桿材料，成為汽車及高速列車輕量化的關(guān)鍵新材料。美國(guó)Ford公司已研制成SiCp／Ai復(fù)合材料剎車盤，批量用于高級(jí)轎車Lincoln Town Car上。德國(guó)一家公司成功研制廠高速列車制動(dòng)盤，運(yùn)用在地鐵和城郊列車上，取得了巨人的經(jīng)濟(jì)效益。此外，美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家已經(jīng)生產(chǎn)出SiCp或B4Cp增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料自行車，并在市場(chǎng)上銷售。

　　綜觀國(guó)際上PRA的研究與開發(fā)，不難看出，PRA的大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)獲得成功，只要進(jìn)—步降低這種新材料的成本，提高性能、價(jià)格比，則這種復(fù)合材料不但將應(yīng)用于航空、航天和軍事領(lǐng)域，而且大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用也指日可待。