復合材料研究新進展（一）金屬基復合材料

復合構料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發揮各組元材料的優點，克服單一組元的缺陷。復合材料按用途可分為結構復合材判和功能復合利料，根據基體種類可分為金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、聚合物基復合材料和炭基復合材料等，按增強(韌)相可分為顆粒增強、晶須增強或纖維增強復合材料。復合材料已廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、體育器材、醫療器械等領域，近幾年更是得到了突飛猛進的發展。

　　1復合材料領域的國際前沿熱點及進展

　　1 1金屬基復合材料

　　金屬基復合材料是包括顆粒、晶須、纖維增強金屬基體的復合材料。金屬基復合材料兼具金屬與非金屬的綜合性能，材料的強韌性、耐磨性、耐熱性、導電導熱性及耐候性能適應廣泛的工程要求，且比強度、比模量及耐熱性超過基體金屬，對航空航天等尖端領域的發展具有重要作用。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；增強纖維包括炭(石墨)、碳化硅、硼、氧化鋁、不銹鋼及鎢等纖維；增強顆粒包括碳化硅、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體可組成大量金屬基復合材料，但目前多數處于研發階段，只有少數得到應用。如硼、石墨纖維增強鋁(鎂)用于衛星、航天飛機結構、空間望遠鏡部件，碳化硅纖維與顆粒增強鈦合金用于大推比飛機壓氣機部件，顆粒增強鋁基復合材料(PRA)廣泛用于航空、航天及汽車、電子領域。在金屬基復合材料中顆粒增強鋁基復合材料最具發展潛力。該材料具有比強度和比模量高，耐磨性、阻尼性及導熱性好，熱膨脹系數小等優異件性能。其主要應用領域一是航空、航天和軍事領域，二是汽車、電子信息和高速機械等民用領域。發展目標是代替鋁合金、鈦合金、鋼等用于制造高性能的構件，減重并提高性能和儀器精度。美國已從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，制造了火箭發動機、導彈和衛星上的零件。加拿大Cercast公司試制了PRA材料飛機用光學底座、萬向支架等精密鑄件及液壓管、壓氣機渦殼和衛星反動輪，代替鋁合金，減重并提高了使用性能。美國DWA公司用SiC顆粒增強6092鋁基復合材料代替鋁合金，大規模用于F16戰斗機的垂直尾翼，提高壽命1 7倍；代替樹脂基復合材料用于B777和C-17Globemaster Ⅲ的P&W4000發動機風扇出口導流葉片，大幅提高使用壽命并降低成本33％。美國DWA公司和英國AMC公司將SiC／Al批量用于EC—120和EC—135直升機旋翼系統，大幅提高構件鋼度和壽命。這些關鍵結構件的成功應用說明美國和英國對這種材料的應用研究已相當成熟。

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

　　汽車、高速列車和高速機械用金屬基復合材料是當前及今后另—個重要研究方向。鋁基復合材料(如5iCp／A1)具有重量輕、導熱性好和耐磨的特點，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鍵新材料。美國Ford公司已研制成SiCp／Ai復合材料剎車盤，批量用于高級轎車Lincoln Town Car上。德國一家公司成功研制廠高速列車制動盤，運用在地鐵和城郊列車上，取得了巨人的經濟效益。此外，美國、英國等國家已經生產出SiCp或B4Cp增強鋁基復合材料自行車，并在市場上銷售。

　　綜觀國際上PRA的研究與開發，不難看出，PRA的大規模生產已經獲得成功，只要進—步降低這種新材料的成本，提高性能、價格比，則這種復合材料不但將應用于航空、航天和軍事領域，而且大規模商業應用也指日可待。