金屬基復合材料 (MMCs,metalmatrix composites)發展于 20 世紀 60 年代初,其具有較高的比強度、比剛度以及良好的抗蠕變、耐高溫性能,在近 20年無論是理論基礎還是技術水平都取得了長足的發展。 連續 Cf/Al 復合材料符合輕量化、高模量、高比強度的發展要求,在航空航天和先進武器裝備上展現出巨大潛力,已經發展為 MMCs 的一個重要分支,特別是近些年來, 碳纖維的性能得到了突飛猛進的提高,碳纖維的極限強度已達到了 7000~8000MPa, 抗拉強度是標準型碳纖維的兩倍,伸長率為 2%,模量從230GPa 提高到 300GPa。 連續 Cf/Al 復合材料的性能取決于纖維的排布方式,分散狀態和制備方法,短碳纖維在基體中易于分散,不易受損。國內外學者對短 Cf/Al 復合材料的研究方法已經趨于成熟, 對于連續 Cf/Al 復合材料, 制備方法的探索仍是熱點問題, 主要集中在界面處理和連續碳纖維如何均勻分散問題上。 本文重點對連續 Cf/Al 復合材料的研究現狀與性能進行了綜述并總結。
鋁基復合材料的增強相主要有顆粒、晶須(或短纖維)與連續纖維。 顆粒、晶須和短碳纖維作為首選的增強體, 具有易于分散的優勢,但由于偏聚和尖銳化造成應力集中等缺陷,卻大大影響了復合材料的性能。 連續纖維兼具高剛度、強度和韌性,被廣泛應用于連續纖維增強金屬基復合材料領域。 連續 Cf/Al復合 材料主要由 鋁基體、增 強纖維 和 Cf/Al 界面 組成,其中 連續纖維增 強體主要承 受載荷,基 體 則 起到固結和保護纖維同時部分承擔、 傳遞載荷和裂紋擴展的作用。
界面 問 題 一 直 困 擾 著 金 屬 基 復 合 材 料 的 研 究者, 尤其是對鋁基復合材料的研究。 碳纖維在高溫下與基體鋁復合時發生嚴重的界面反應,生成 Al4C3化合物,大大降低了復合材料的抗拉強度。 國內外學者大多用鍍涂及氣相沉積技術在碳纖維表面制備涂層,目的是阻止纖維與基體間的反應,同時提高潤濕性。為此,前人對碳纖維的金屬涂層和非金屬涂層做了大量研究。
總結與展望
經過近 30年的研究摸索, 現有的連續 Cf/Al 復合材料成型方法中發展潛力和效果明顯的是壓力浸滲和超聲振動液體浸滲法, 但這些方法局限于層狀、板狀材料,且材料性 能具有方向 性,對大體積、大塊體和形 狀復雜的纖維增強鋁基復合材料的研究還不系統。目前, 連續 Cf/Al 復合材料的制備方法已初步完善, 但該復合材料還不能替代傳統的金屬基復合材料,還需對現有的制備方法進行參數改進,降低生產成本,簡化生產工藝,使其可以工業化生產。 國外已有學者將連續 Cf/Al 復合材料的制備與計算機模擬進行結合。 另外,復合材料分析方法單一,還缺少相應的理論指導,今后需加強此方向的研究開發。