金属基复合材料在航空领域的应用与发展

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1、材料表面与界面题目：金属基复合材料在航空领域的应用与发展学院：化学与化工专业及班级：无机121年级：2012级学生姓名：严红梅学号：1208110439教师：张煜2014年12月9日19金属基复合材料在航空领域的应用与发展严红梅（贵州大学无机121班）【摘要】：介绍了金属基复合材料的构成、分类，以及性能特点分析了铝合金和钛合金复合材料的性能。讨论了金属基复合材料在航天器结构材料、热管理系统、电子封装、惯性器件、光学仪器和液体发动机中的典型应用。【关键字】复合材料，金属基，性能，应用。引言金属基复合材料（简称MMC）是以金属、合金或金属间互化物为基体、用各类增强

2、相进行增强的复合材料。它是复合材料的一个分支。近代科学高新技术的迅速发展，特别是航空和航天应用技术的发展，对材料的要求越来越高。除了要求材料具有高强度、高模量、耐辐射、低热胀、低密度、可加工性外，还对材料的韧性、耐磨、耐腐蚀及抗蠕变等理化性能提出种种特殊要求，这对单一的某种材料来说是很难都具备的。必须采用复合技术，把一些不同的材料复合起来，取其所长来满足这些性能要求。金属基复合材料就是在这样的前提下产生的。这些年来MMC得到了广泛关注，并在航空和航天工程中取得了应用的成果。据美国航天局预测：金属基复合材料将成为本世纪空间战、卫星和空间飞行器的主要结构材料[1]

3、。正文1金属基复合材料的分类MMC通常按增强相形态分为连续纤维增强MMC和非连续增强（颗粒、晶须、短切纤维）MMC两大类，最常用的增强纤维为碳纤维（Gr）、硼纤维、碳化硅（SiC）纤维、氧化铝（Al2O3）纤维。晶须和颗粒增强体有碳化硅、氧化铝、碳化钛（TiC）、氮化硅（Si3N4）等。MMC也可以按金属基体类型分类，分为铝基、镁基、铜基、钛基、钛铝互化物基等MMC。其中铝基镁基MMC使用温度在450℃以下、钛基和钛铝互化物基MMC使用温度450～700℃，镍基钴基MMC可在1200℃下使用。铝基MMC是各国开发的重点，我国亦已列入相关计划。连续纤维增强MMC

4、中由于纤维是主要承力组元，而且这些纤维在高温下强度很少下降，因此19具有很高的比强度和比刚度，在单向增强情况下具有很强的各向异性。其中连续纤维增强钛合金基复合材料，已成为竞争力很强的高温结构材料。由于制造工艺复杂，且有些长纤维（如硼纤维）价格十分昂贵，基体仍起到主要作用，其强度与基体相近，但刚度、耐磨性、高温性能、热物理性能明显增强，制造工艺也相对简单，技术难度较小，可以在现有冶金加工设备基础上工业化生产，成本较低。例如，非连续纤维增强的铝基复合材料开发已比较普遍，但它的增强作用也主要是体现在重量的降低和刚度的提高。2金属基复合材料的性能特点金属基复合材料集高

5、比模量、高比强度、优良导热和导电性、优良尺寸稳定性和耐高温性能于一体，是近年来复合材料研究的热点。其具体性能取决于所选金属基体和增强材料的特性、含量和分布。比强度和比模量基体和增强相的直接增强和基体组织变化产生的间接增强，显著地增强了材料的强度和刚性。在金属基体中加入体积份数30～50%增强材料后，材料强度和模量就会有显著增大。和未增强金属材料的性能比较导热性和导电性由于金属基体在MMC中含量通常很高，体积份数一般为50～70%，因此它仍旧保持金属材料所具有的良好导热和导电性。采用高导热性增强材料（如超高模量碳纤维）增强后复合材料导热率有时比纯金属还高，因此非

6、常适合制作集成电路底板和封装件，将电子部件的热迅速散发出去。优良的导电性能，使它具有其它类型复合材料缺乏的波导功能。尺寸稳定性许多增强材料既具有很小的热膨胀系数（甚至是负值热膨胀系数），同时又具有很高的模量用这些材料增强的MMC可以使热膨胀系数明显下降，并且达到很高的模量，因此十分有利于航天部件在大幅度温度交变环境中，保持良好的尺寸稳定性，使部件实现高精度，高效率。耐高温性能MMC高温性能通常优于金属材料，特别是在连续纤维增强时，由于纤维起主要承载作用，很多增强纤维在高温下强度很少下降，因此许多MMC的高温力学性能可保持到金属熔点，这和普通金属材料（如铝合金、

7、钛合金）随着温度升高，强度迅速下降的特点形成鲜明对比。可焊接性MMC可以采用传统的电弧焊（如气体保护焊）进行焊接，这是它和其它类复合材料加工性的显著区别。其焊接性能和基体合金类似，主要区别在于其熔池具有很高的粘度，在焊接横截面大的零件时，熔池的高粘度会阻碍零件焊透，因此必须开焊接坡口。MMC19的可焊性不仅可以用来连接结构件，而且用来补焊和修复铸件缺陷，使MMC具有更好的可加工性。3在航天器上的应用由于金属基复合材料强度、刚度、疲劳性能、热性能等良好的性质，在过去30年中已经受到了航天应用领域极大的关注。正如在参考文献中描述的，航空航天工业需要减轻太空推进系统

8、和航天结构重量，金属基复合材料可提供一