金属基复合材料在航空航天领域的应用

收稿日期:2007-05-11
作者简介:吕一中(1961-),男,安徽理工大学机械制造专业毕业,中国矿业大学(北京)复合材料专业在读博士,研究员。

金属基复合材料在航空航天领域的应用
吕一中1,3　崔岩2　曲敬信1
(1.中国矿业大学(北京),北京100083;2.北京航空材料研究院,北京100095;
3.北京工业职业技术学院,北京100042)
摘　要:金属基复合材料已成为发达国家争夺高技术优势的热点之一,并作为先进复合材料将逐步取代部分传统的金属材料。

介绍了铝基复合材料在导弹、航天领域中的应用以及金属基复合材料在航空领域的其它应用。

关键词:金属基复合材料;导弹;航天;应用
中图分类号:TF 121 文献标识码:B 文章编号:1671-6558(2007)03-01-04
Application of Metal Matrix Composites to Aerospace
L üY izhong 1,3　Cui Yan 2　Qu Jingxin 1
(1.China University of Mining &Technology (Beijing ),Beijing 100083,China ;
2.Beijing Institute of Aeronautical Materials ,Beijing 100095,China ;
3.Beijing Polytechnic College ,Beijing 100042,China )
Abstract :As one of the developed countries contention hotspots for the dominant position in high 2techs ,metal matrix composites will gradually substitute partial traditional metal materials as Advanced Composite.The appli 2cation of aluminium 2matrix composite to both missile and aerospace field and metal 2based composites to aerospace field is introduced.
K ey w ords :metal matrix composites ;missile ;aerospace ;application
复合材料是二十世纪材料科学领域的重大突破之一,其中金属基复合材料是从20世纪60年代初发展起来的,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,目前已成为发达国家争夺高技术优势的热点之一,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。

金属基复合材料(Metal Matrix Composite ),简称MMC ,是以金属及其合金为基体,与一种或几种
金属或非金属增强相人工合成的复合材料。

它与聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料一起构成现代复合材料体系。

按基体可分为铝基、镁基、铜基、钛基复合材料等,其中铝基复合材料的研究和应用最为广泛。

1铝基复合材料在导弹中的应用
作为第三代航空航天惯性器件材料,仪表级高体分SiC 颗粒/铝基新型复合材料,替代铍材,已在美国用于某型号惯性环形激光陀螺制导系统,并已
第6卷　第3期2007年7月
北京工业职业技术学院学报
JOURNAL OF BEIJ ING POL YTECHNIC COLLEGE
№13Vol.6
J ul.2007
形成美国的国家军用标准(M IL -M -46196)。

该材料还成功地用于三叉戟导弹的惯性导向球及其惯性测量单元(IMU )的检查口盖,并取得比铍材的成本低三分之二的效果。

目前,导弹制造公司在国际市场上竞争激烈。

他们想要赢得市场,就必须满足用户现在和未来的要求,改进导弹的性能,降低其初始寿命和全寿命周期费用。

材料技术对导弹的改进与发展起关键性作用。

例如,提高材料的强度与刚性,可使导弹采用壁厚较薄的弹体而减轻重量,
减重的导弹有利于提高速度。

材料使尾翼和弹翼刚性增强,可减少颤动与弹头偏转,从而改善导弹的制导与精度。

因此,为了适应导弹速度、制导和精度等性能的改进,需开发和应用新材料。

多年来,英国国防部投资,英国国防评估研究局与马特拉BAe 动力公司研究了铝基复合材料在导弹零部件中的应用,取得了一些成效。

铝基复合材料适宜制造弹体、尾翼、弹翼、导引头组件、光学组件、推进器组件、致动器组件、发射管、三角架和排气管等导弹零部件。

目前,他们已完成第一阶段、第二阶段计划,正在实施近期研究计划,并制定了未来的研究计划。

2铝基复合材料在航天领域的其它应用
美国佛罗里达州的一个材料公司最近开发成功一种新型非连续增强的高强度、高耐热性铝合金复合材料,该合金基复合材料是以Al -Mg -Sc -Gd -Zr 成份合金为基体,具有优异的常温强化和低温
强化能力。

该合金的强度为630Mpa ,并且具有中等的室温延展性(7%),高温强度也很好,这种不连续增强的铝合金基复合材料是用粉末冶金法制造
的,所用原料铝合金粉末为-325目(小于
45
μm )的球状粉和平均粒径为5
μm 的碳化硅粉和碳化硼粉,这种作为增强剂用的碳化物粉末掺入量为15%(体积)。

所制得的复合材料强度超过700Mpa ,具有优异的刚性、比强度、耐磨性和耐热性,可用于宇航飞行器材料,也适用于火箭制造方面。

3金属基复合材料在航空领域的其它应用
对安全系数及使用寿命都要求极高的航空工业,始终是金属基复合材料最具挑战性的应用领域,特别是在商用飞机上应用就更是如此。

因此,金属基复合材料的航空应用进程大大滞后于航天应用。

最早的航空应用实例是,早在20世纪80年代,洛克希德・马丁公司将DWA 复合材料公司生产的25%SiCp/6061Al 复合材料用作飞机上承放电子设备的支架。

该设备架尺寸非常大,长约2米(见图1),其
比刚度比替代的7075铝合金约高65%。

在飞机扭
转和旋转引起的力载荷作用下,7075铝合金会变形太多。

然而,直到最近几年,以颗粒增强铝为代表的金属基复合材料才作为主承载结构件在先进飞机上获得正式应用。

下面对几个最有代表性的、甚至可以说是标志性的工程应用及其所产生的效果加以具体介绍。

图1　飞机上承放电子设备的铝基复合材料支架在美国国防部“Title Ⅲ”项目支持下,DWA 复合材料公司与洛克希德・马丁公司及空军合作,将粉末冶金法制备的碳化硅颗粒增强铝基(6092Al )复合材料用于F -16战斗机的腹鳍(见图2),代替了原有的2214铝合金蒙皮,刚度提高50%,使寿命由原来的数百小时提高到设计的全寿命———8000小时,寿命提高幅度达17倍。

图2　F -16战斗机的铝基复合材料腹鳍
目前美国空军已将这种铝基复合材料腹鳍作为现役F -16战斗机的备用件,正在逐步的更换。

Ogden 空军后勤中心评估结果表明:这种铝基复合
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北京工业职业技术学院学报 第6卷
材料腹鳍的采用,可以大幅度减少检修次数,全寿命节约检修费用达2600万美元,并使飞机的机动性得到提高。

此外,F -16上部机身有26个可活动的燃油检查口盖(如图3),其寿命只有2000小时,并且每年都要检查2～3次。

采用了碳化硅颗粒增强铝
基复合材料后,刚度提高40%,承载能力提高28%,预计平均翻修寿命可高于8000小时,裂纹检查期延长为2～3年。

眼下还将有计划将颗粒增强铝基复合材料用作F -16的导弹发射轨道。

图3　F -16战斗机及其燃油检查口盖
F -18“大黄蜂”战斗机上采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为液压制动器缸体,与替代材料铝青铜相比,不仅重量减轻、热膨胀系数降低,而且疲劳极限还提高一倍以上。

在直升机上的应用方面,欧洲率先取得突破性进展,英国航天金属基复合材料公司(AMC )采用高能球磨粉末冶金法制备出了高刚度、耐疲劳的碳化硅颗粒增强铝基(2009Al )复
合材料,用该种材料制造的直升机旋翼系统连接用模锻件(浆毂夹板及袖套),已成功地用于Euro 2copter (欧直)公司生产的N4及EC -120新型直升机(如图4)。

其应用效果为:与铝合金相比,构件的刚度提高约30%,寿命提高约5%;与钛合金相比,
构件重量下降约25%。

图4　直升机旋翼系统及其连接件
更为引人注目的是,在20世纪90年代末,碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得正式应用。

普惠公司从PW4084发动机开始,将以DWA 公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变形铝合金基复合材料(6092/SiC/17.5p -T6),作为风扇出口导流叶片,用于所有采用PW4000系发动机的波音777上。

如图5为普惠公司生产的PW4000航空发动机及其碳化硅颗粒增强铝基复合材料风扇出口导流叶片。

普惠公司的研发工作表明:作为风扇出口导流叶片或压气机静子叶片,铝基复合材料耐冲击(冰雹、鸟撞等外物打伤)能力比树脂基(石墨纤维/环
氧)复合材料好,且任何损伤易于发现。

此外,还具有七倍于树脂基复合材料的抗冲蚀(沙子、雨水等)能力,并使成本下降三分之一以上。

普惠公司计划在PW4000系发动机上将碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为标准材料用。

美国正在研制颗粒增强耐热铝基复合材料,一旦开始生产,则将首先用于一级及
部分二级压气机,例如用作压气机静子叶片(如图6所示)。

2003年,美国的特殊材料公司通过在碳纤维上化学气相沉积碳化硅制成短纤维,在利用等离子喷涂与钛结合,形成钛基复合材料,用来制造荷兰皇家空军的F16战机起落架部件。

这是首次将金
3第3期 吕一中,等:金属基复合材料在航空航天领域的应用
属基复合材料用于飞机起落架上。

利用金属基复合材料替代传统高强度钢达到了减重40%的效果,且
其具有比钢或铝更好的耐蚀性。

图5　普惠公司的PW4000航空发动机及其风扇出口导流叶片
图6　航空发动机及其静子叶片
十多年来,美国、加拿大和瑞典等国秘密研究了不少金属基复合材料,尤其是研究轻金属基复合装甲材料,包括铝基复合材料和钛基复合材料。

目前,金属基复合材料装甲已用作美国空军C -130运输机的防护装甲,在地面车辆或人员防护方面的应用目前可能正处于初期发展阶段。

金属基复合材料把金属良好的韧性、延展性、容易成形和强度高的优点与陶瓷的高硬度耐烧蚀和重量轻等优点结合在一起,形成一种崭新的材料。

它既克服了陶瓷的脆性和不能抗弹丸多次打击的弱点,又弥补了金属硬度不够和较重的缺点,具有优良的抗弹能力。

人们可以根据需要,制造出金属和陶瓷成分无限变化的金属基复合材料。

在多数金属基复合材料中,陶瓷都是作为增强物,含量按体积通常在30%以下。

在有些复合材料中,陶瓷含量高达80%。

比如,美国空
军飞机C -130的防弹装甲是用铝/碳化硼复合材料制造的。

按体积,铝的含量约25%-30%,碳化硼的含量约70%-75%,这种装甲的密度仅2.6克/立方厘米,能够使每架C -130飞机的重量减轻约1365千克,但装甲的防弹性能却比迄今使用的铝/碳化硅和铝/氧化铝装甲复合材料高。

参考文献:
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中国物资出版社,1998
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料导报.1996,11,(3)
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中的应用分析[J ].宇航材料工艺,2001,(3)
(责任编辑:王　佼)
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