非连续增强金属基复合材料的应用.doc

非连续增强金属基复合材料的应用 摘要 　综述了非连续增强复合材料在汽车、航空航天领域的应用状况,以及影响其进一步扩大应用的制约因素。最后提出了获得大规模应用需要解决的 问题。 非连续增强金属基复合材料(MMCs) 出现在40～50 年代,至80年代末90年代初掀起了工业应用的研究热潮。MMCs 由于具有比强度和比刚度高、耐高温、耐磨损、耐疲劳、热膨胀系数低等优异性能,首先在航空航天工业获得应用,并逐步向汽车、电子、体育器材等方面扩展,其中,汽车和航空航天领域的潜在应用前景最为广阔。 MMCs 的应用状况 MMCs 自进入工业应用发展阶段以来,逐步拓宽了应用范围,但由于价格一时难以大幅度降低,使得许多可能得到应用的领域,尤其对价格比较敏感的汽车等行业的应用受到限制。复合材料的大规模应用,除价格之外,还需要解决设计、加工、回收等方面的问题。 汽车工业 汽车工业对减轻汽车自重和提高燃油效率有强烈的愿望。从能源消耗和环境保护角度考虑,对汽车的燃油效率和尾气排放的控制越来越严格。从80 年代初到90 年代末,对汽车燃油效率的要求几乎提高了2倍。提高发动机效率和减轻汽车自重是减少尾气排放及提高燃油效率的有效途径,但提高发动机效率的潜力已经很小,减轻汽车自重就显得极为重要。MMCs除在减重方面可以大显身手外,还具备许多优异特性,因而受到汽车材料设计人员的极大重视。在日本,复合材料增强体的品种全,价格低,制备工艺完善,加上政府和企业对复合材料研究的重视,使得日本在短短20 多年里得以赶超美欧等国家,率先在汽车活塞上实现了MMCs 的大规模应用。丰田汽车公司采用Al2O3 纤维和原位生成的陶瓷粒子增强的复合材料制备活塞,提高了抗粘着磨损性能,减轻了重量,在价格上与原有材料持平,月产量达到10 万件。本田汽车公司在1989 年采用Al2O3 和碳纤维混杂增强的复合材料制造汽缸衬套,提高了汽缸的高速滑动磨损性能、高温使用性能和散热性能; 1993 年又用Al2O3 和石墨颗粒混杂增强的复合材料制备发动机汽缸,使汽缸的导热性、抗磨损性能和使用功率均有大幅度提高。美欧汽车工业部门已成功地制备出汽车方向盘轴、汽缸衬套、活塞、刹车盘、轴承、连杆等零件,但在价格上尚不具备竞争能力。采用MMCs 制造汽车刹车盘尤其受到美欧国家的重视,德国城市铁路快车上已经成功地用SiC/ Al 复合材料取代原来的铸钢制造刹车盘。在国内,哈尔滨工业大学采用铝基复合材料制造的汽车发动机活塞和汽缸,应用到千余台解放牌汽车上,取得了良好的效果。 综上所述,MMCs 在汽车工业上应用的技术已经成熟,但应用成本往往太高，其中增强体的价格高是主要原因。一旦增强体的价格降低到工业应用可以接受的程度,必将引起汽车用材料的一场革命。在复合材料的应用过程中,可靠性重复性好的制备方法也不可忽视。另外,材料质量的检测,材料性能数据的整理、总结、编排、检索系统也有待于建立。除技术因素外,人们对复合材料的认识仍然落后,材料工程师往往不愿率先试用承担风险。所有这些都是复合材料获得大规模工业应用必须解决的问题。 1. 2 　航空、航天工业 航空、航天工业对轻质、高强、高可靠性材料的要求更为迫切,MMCs 最初就是应航空、航天工业的需要而发展起来的。由于复合材料的韧性较低,在对安全系数要求较高的航空、航天工业中的应用会受到限制, 尽管如此,MMCs 仍以传统材料不可比拟的综合性能而受到重视,并得到了成功的应用。与树脂基复合材料相比,MMCs 因具有耐高温、不吸湿、抗老化等特性,所以能用在更为恶劣的环境中。与日本等国家相比,美国更加重视MMCs 在航空、航天工业中的应用,特别是在军事方面。到目前为止,美国组织了多个以军事应用为目的的复合材料研究项目,例如90 年代初,由空军材料制备实验室牵头，采用材料制备、检测评价、最终应用一体化的组织形式,首先制备出大质量的复合材料铸锭,尽量降低复合材料的价格,随后开发复合材料在航空、航天器件上的应用。这项研究导致复合材料在哈勃太空望远镜的天线导波导杆、卫星上的电子封装材料、F - 16 战斗机机腹尾翼和进油门、发动机部件等零件上取得了应用,效果引人注目。用MMCs 制作导弹控制尾翼、发射管、三角架等零件,充分发挥了这种材料刚度好的特性。用SiC/ Al 复合材料取代碳纤维增强塑料作为空中客车的机身,可以提高结构的抗冲击性能和降低价格。在国内,哈尔滨工业大学等单位在采用复合材料制作导弹、卫星零件方面的研究十分活跃,取得了突破性进展:利用MMCs 比强度、比刚度高的特点,制备了卫星天线丝杠;利用MMCs 尺寸稳定性好、膨胀系数低的特点,制备了导弹反光镜、导弹惯导平台等部件。 MMCs 应用的制约因素 有许多因素与MMCs 的大规模应用相关联,原材料制备方法、二次加工、