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1、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4050 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。1 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
2、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。11 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,
3、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
4、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
5、、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
6、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,
7、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。2 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、回收能力、质量控制技术等都制约着MMCs 的应用。从MMCs 在汽车和航空、航天领域中的应用来看,应用成本是主要的制约因素,而增强体的成本高是造成复合材料应用成本居高不下的主要原因。最初,MMCs 是应航空、航天等几乎不计较成本
8、的领域的要求而发展起来的,所以材料的价格不会构成主要障碍,当然现在如果仍这样考虑已不够全面;而在民用领域,价格肯定是决定应用可能性的主要因素之一。若按图1的性能、价格比来评价复合材料在汽车等工业上应用的可能性,则复合材料最有希望用于制作耐磨件。2. 1 增强体据估计,应用复合材料时,材料成本在总成本中的比例可达到63 %; 而应用钢铁时, 材料的成本只占14 % ,差别很大。复合材料原材料的成本主要是增强体的成本,例如连续碳化硅长纤维的价格达到10 万14 万日元/ kg ;碳化硅、氮化硅等晶须的价格稍低,但也达到5 万8 万日元/ kg ; 而硼酸铝、钛酸钾、氧化锌、氧化镁等晶须的价格只有2
9、 0004 000 日元/ kg。采用便宜的增强体制备复合材料无疑在价格上具有优势,但材料性能不一定能满足要求。可根据具体零件的使用要求和使用状况选择合适的增强体,例如硼酸铝晶须与铝相容性不好,在高温下容易发生界面反应;但其膨胀系数、比强度、比刚度等性能在低温和常温下完全可以和碳化硅晶须增强复合材料相媲美。2. 2 制备方法常用的MMCs 制备方法有液相法、粉末冶金法、喷射成型法、原位复合法等。其中液相法应用最为普遍,且在工程上易于实现。不同制备方法对复合材料的价格影响很大。例如,在液相制造方法范围内的搅拌铸造法(还可分为常压铸造、模具铸造和压力铸造,模具铸造和压力铸造法都可以实现净成形铸造)
10、 中,压力铸造与模具铸造法相比,其成品的孔隙率低,适用的合金范围广,且可用来制造复杂形状的零件,但生产速率和成本不具有优势。图2 显示了上述制备方法对价格的影响。颗粒增强MMCs 还可采用诸如粉末冶金法和喷射成型法,但价格上与搅拌铸造法相比不具有优势。2. 3 生产数量在工业生产中,生产数量对成本有很大的影响,见图3 。从图中可以看出,复合材料的价格随生产数量的增加而迅速下降,最终达到一个近似不变的数值。所以,在评价复合材料在工业上应用的可能性时,必须考虑生产数量的因素。但新材料的应用要达到规模生产的能力尚有许多问题需要解决,首先是选取最佳的制备条件以获得最佳的材料,其次要有一套检测复合材料质
11、量的体系。2. 4 局部增强手段由于增强体的价格一般远远高于基体合金的价格,所以,在满足材料使用性能的前提下,从降低零件成本的角度考虑,可以在需要提高性能的部位采用复合材料(即局部增强) 。例如,丰田汽车公司将5 %体积分数的短纤维增强铝基复合材料应用于滑动条件最差的活塞第一沟槽部。目前已经采用局部增强复合材料制作了轴承、活塞、汽缸等零件。2. 5 二次加工性能良好的二次加工性能是MMCs 推广应用的基础。非连续增强MMCs 具有较好的切削、成型、挤压、轧制、锻造、焊接等二次加工性能。汽车、航空、航天等领域中采用的材料大多数需要切削加工。长纤维增强树脂基复合材料常常是净成型的,其二次加工往往仅
12、限于修整和钻孔;而短纤维复合材料会有较大的切削量。研究表明,采用合适的切削刀具,MMCs 可以达到很高的切削速度和表面加工精度,刀具的寿命较长,加工费用也是工业界所能接受的。多晶金刚石刀具常常用于复合材料的切削加工,采用超声波和合适的润滑剂可以提高切削的速度和精度。另外,采用电火花和激光切削复合材料也已见报道,但费用太高。美国橡树岭国家实验室的研究结果表明,晶须增强陶瓷可以代替金刚石作为刀具,以降低复合材料的切削费用。很多金属基复合材料还具有高速超塑性,这有利于复合材料的净成型。高速超塑性是指复合材料在0. 11 s - 1的应变速率和接近基体金属熔点的温度下可以实现高达300 %的延伸率。M
13、MCs 这一特性对复杂形状零件的成型很有意义。复杂形状零件的成型通常需要采用焊接、切削等方法才能实现,而超塑性成形法只需一个工序就能实现。因此,虽然超塑性成形法比常规成型法的费用要高,但由于节约了工序,总体上来说仍可大幅度降低成本。另外,由于超塑性成形过程中应变速率大,零件制造过程十分迅速,这在大规模生产中是很有价值的。MMCs 的其他变形特性也十分优越,它有良好的挤压和轧制性能,还可采用等温模锻的方法成型。总之,MMCs 的成型方式选择余地很大,并可以采用工业上现有的设备进行加工。焊接性能决定了材料的连接和损伤修复能力。摩擦焊、固态扩散焊、电阻焊和氩弧焊等都可以用于MMCs 的焊接,其中氩弧
14、焊应用较多。熔化方法焊接时的熔池温度较高,常在焊接区域形成脆性相,在熔池随后的凝固过程中还会引起增强体的偏聚和贫化。非熔化焊接(如摩擦焊和固态扩散焊) 可以避免上述问题,但有可能造成增强体的断裂,且焊接强度不高。2. 6 回收能力回收和再利用能力关系到材料的可持续利用和环境的保护,随着MMCs 应用潜力的增加,该项研究也被提上日程。目前提出的几种回收方法有重熔法、分离法和热压法。重熔法是将要回收的复合材料作为原料回炉重熔,再制备新的复合材料;分离法是采用旋转盐炉和等离子体炉等设备分别回收铝和增强体颗粒;热压法是将复合材料切屑通过热压方法制备成复合材料。由于复合材料在切削过程中会产生大量的切屑,
15、因此研究切屑的回收方法是有意义的。2. 7 质量控制体系质量控制体系是MMCs 大规模应用的一个必要条件,复合材料的界面结合状态、增强体的体积分数、材料的性能等都属于质量控制的范围。为了达到快速检测质量的目的,多采用无损检测。材料生产者在生产过程中需要对材料性能进行检测,以便控制产品质量;对材料进行二次加工前需要了解材料的性质。3 MMCs 应用展望在降低复合材料的成本方面,由于人工合成的增强体通常较贵,直接从自然界和工业废弃物中获取增强体已为解决这个问题带来了希望。例如,用烟灰或云母作为增强体制备的铝基复合材料已成功地应用于汽车活塞、汽缸、连杆等零件;有的还用天然竹丝作为增强体制备复合材料,
16、开拓了复合材料发展的新领域。应充分发挥复合材料的可设计性这一优势。复合材料性能设计包括组分、界面等。但到目前为止,通常都采用现有合金制备复合材料,未为复合材料专门设计基体合金的组分。在组分设计上可通过添加合金元素来改善基体金属与增强体的润湿性,这对材料的制备和性能都有很大影响。复合材料界面设计的内涵很广,例如可采用含硅量高的合金来抑制SiC/ Al 复合材料在制备过程中界面反应生成脆性的Al4C3 ;对增强体进行涂层二次处理然后制备复合材料,可以达到改变界面反应程度、调整复合材料界面残余应力、提高复合材料性能等目的;将杆形的增强体处理成为哑铃形的增强体,然后制备复合材料,可使材料的断裂韧性有所
17、提高等。可以根据应用的需要,针对复合材料的某一方面或几方面的性能(如膨胀系数、弹性模量、尺寸稳定性、力学性能等) 进行设计。此外,功能复合材料更能发挥复合材料可设计性的优点,得到原组分所不具备的新特性,以适应信息产业发展的要求。应当重视复合材料复合制备工艺的研究。采用复合的技术制备复合材料是今后的一个发展方向。另外,目前很少根据复合材料的特点专门设计相应的设备,这个问题的解决需要材料界与机械、化工、信息等行业相互配合。应当重视复合材料研究的组织工作。由于金属基复合材料总的来说还处于实验室研究阶段,需要有较大的投入,因此,国外复合材料的开发研究往往由国家组织实施,这就要求必须选定有重大工程意义的研究课题,在足够资金支持下实施全国性的联合攻关。