粉末冶金复合材料

航天航空领域术语

粉末冶金材料?MMC即metal matrix composites?具有高比强度、高比模量、耐磨、耐热、导电、导热、不吸潮、抗辐射、低热膨胀系数等优良性能?并作为先进复合材料将逐步取代部分传统的金属材料而应用于航天航空、汽车工业、电子工业等领域?以满足特殊场合对材料的比强度、比刚度、比模量、高温性能、低热膨胀系数等性能的要求。金属基复合材料是以金属合金为基体?以高强度第二相为增强体而制得的复合材料?它与高分子基复合材料、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料和纳米复合材料一起构成现代复合材料体系。其品种较多?可按增强体和基体进行分类?按照增强体形状可将复合材料分为?颗粒增强复合材料?层状复合材料和纤维增强复合材料。从强化的机理上分?纤维增强复合材料更准确地可划分为连续纤维增强复合材料和不连续纤维增强复合材料。按基体进行分类有?铝基复合材料?镍基复合材料?钛基复合材料及铜基复合材料等。在金属基复合材料中应用最广泛的一种复合材料是铝基复合材料。现代科学技术对现代新型材料的强韧性?导电、导热性?耐高温性?耐磨性等性能都提出了越来越高的要求。与传统的金属材料相比?金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度?而与高分子基复合材料相比?它又具有优良的导电性而耐热性?与陶瓷材料相比?它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。这些优良的性能决定了它从诞生之日起就成了新材料家庭中的重要一员。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。

发展历程

利用现代粉末冶金技术制取复合材料具有很大的优势，因此，形形色色的现代复合材料，特别是颗粒强化复合材料，常常伴随着现代粉末冶金技术同步发展，互为补充，互相促进。

研究现状

粉末冶金材料的性能不仅与基体金属有关?也与增强的第二相的性能和数量有关?同时还与基体和增强相的界面结构有关?即与基体和增强相的界面结合力有关。因此?对金属基复合材料的研究主要集中在以下几个方面? (1)同金属基体与不同种类、形态的增强材料的复合效果?复合材料的性能?

(2)增强材料的开发?包括金属与非金属纤维、颗粒、晶须、晶片等?

(3)增强相/基体界面优化的研究?包括各种金属基复合材料的界面结构、界面稳定性、界面结合与反应、界面反应的控制等?

(4)扩大金属基复合材料的应用领域和范围。金属基复合材料研究、开发的基础是金属材料。轻金属铝、镁、钛及其合金由于其比强度、比模量的优势?作为结构材料在航空航天工业中得到广泛的应用?常作为金属基复合材料的首选金属基体。从国内外的研究和应用状况来看?其中铝及其合金应用最为广泛。

研究进展

应用的复合材料主要有金属基、无机非金属基和高分子基三大类。但是由于金属基复合材料价格昂贵?主要用于航空航天和军事领域?一般工业领域不多见。而由于铝基复合材料的优良的综合性能?使得铝基复合材料在金属基复合材料中应用最为广泛。

产品应用

纤维增强铝基复合材料具有比强度和比模量高、尺寸稳定性好等一系列优异性能?但价格昂贵?主要用于航天领域作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。硼纤维增强铝基复合材料是实际应用最早的金属基复合材料?美国和前苏联的航天飞机中机身框架及支柱和起落拉杆等都用该材料制成。硼-铝复合材料还用做多层半导体芯片的支座的散热冷却板材料?硼-铝复合材料的导热好?热膨胀系数与半导体芯片非常接近?能大大减少接头处的疲劳。硼-铝复合材料的应用前景宽广?可用作中子屏蔽材料?还可用来制造废核燃料的运输容器和储存容器、可移动防护罩、控制杆、喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、结构支承件、飞机垂直尾翼、导弹构件、飞机起落部件、自行车架、高尔夫球杆等。碳纤维增强铝基复合材料具有比强度高和比刚度高?导电、导热性好?密度低和尺寸稳定等特点。用这种材料制成的卫星抛物面天线骨架?热膨胀系效低?导热性好?可在较大温度范围内保持尺寸稳定。碳纤维增强铝基复合材料用在飞机上?如它使用在F-15战斗机上?使其质量减轻20??30?。碳化硅-铝复合材料主要用做飞机、导弹、发动机的高性能结构件?如飞机的Z形加强板、喷气战斗机垂直尾翼平衡器和尾翼梁、导弹弹体及垂直尾翼和汽车空调器箱。氧化铝纤维增强铝基复合材料最成功的应用是用来制造柴油发动机的活塞。非连续增强铝基复合材料有碳化硅晶须和颗粒、氧化铝短纤维以及硅酸铝纤维增强铝基复合材料。碳化硅晶须增强铝基复合材料用于制造导弹平衡翼和制导元件?航天器的结构部件和发动机部件?战术坦克反射镜部件?轻型坦克履带?汽车零件?如活塞、连杆、汽缸、活塞销等?飞机的机身地板和新型战斗机尾翼平衡器。碳化硅增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料?如卫星支架、结构连接件、管材?各种型材?导弹翼、遥控飞机翼、飞机零部件等?它还可用做汽车零部件?如驱动轴、刹车盘、发动机缸套、衬套和活塞等。氧化铝短纤维和硅酸铝纤维增强铝复合材料主要用于制造汽车发动机零件，如活塞镶圈、传动齿轮。铝基复合材料性能优异?可以用于多种部门?只要价格能够接受?将有广阔的应用前景。

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