高性能复合材料第9章
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经过T1热处理后的SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料的不足之处是: 需改善其延性与韧性；因在制造温度范围内具有较高强度而使制 造较困难；制造工艺范围窄。在未来的研究计划中，研究者打算 用可能获得的资金，制造少量碳化硅颗粒增强Al-Fe-V-Si前弹体 样品，以便进行机械加工试验及结构试验。
8
9.1.1.3铝基复合材料在航天领域的其他应用 美国佛罗里达州的一个材料公司最近开发成功一种新型
4
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、制动器组件、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、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。 1. 第一阶段研究计划
9
在我国，金属基复合材料也于2000年前后正式应用在航天器
上。哈尔滨工业大学研制的SiCw/Al复合材料管件用于某卫星天线 丝杠，北京航空材料研究院研制的三个SiCp/Al复合材料精铸件 （镜身、镜盒和支撑轮）用于某卫星遥感器定标装置，并且成功
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圈 9-1 航天飞机轨道器中机身 B/Al 复合材料构架 图 9-2 哈勃望远镜 Cr 纤维/铝基复合材料悬架
图 9-3 为哈勃望远镜整体结构
3
9.1.1.2 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/铝基新型复合材科，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，并已形成美国的国家军用标准 （MIL-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2/3的效果。
1
9.1.1 金属基复合材料在航天领域的应用
9.1.1.1 连续纤维增强金属基复合材料在航天器上的应用
金属基复合材料在航天器上首次也是最著名的成功应用是， 美国NASA采用硼纤维增强铝基（50%Bf/6061Al）复合材料作为航天 飞机轨道器中段（货舱段）机身构架的加强桁架的管形支柱（见 图9-1）。
20世纪90年代初，英国确定了第一阶段铝基复合材料研究 计划。按照这个计划，英国对五个铝基复合材料导弹零部件进 行了设计研究。它们是前弹体、弹翼、尾部套简、控制尾翼与 轴以及控制圆筒。设计研究内容包括每种零部件所用的材料类 型、制造方法以及与传统材料相比较的制造成本（传统制造成 本为100%）与减重程度。研究结果见表9-1。
另一个著名的工程应用实例是，60%石墨（Gr）纤维（P100） /6061铝基复合材料被成功地用于哈勃太空望远镜的高增益天线悬 架（也是波导），这种悬架长达3.6m（见图9-2），具有足够的轴 向刚度和超低的轴向线胀系数，能在太空运行中使天线保持正确 位置，由于这种复合材料的导电性好，所以具有良好的波导功能， 保持飞行器和控制系统之间进行信号传输，并抗弯曲和振动。
9.1 金属基复合材料的应用
金属基复合材料自进入工业应用发展阶段以来，逐步拓宽 了应用范围，但由于价格较高且难以大幅度降低，使得许多可能 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。
金属基复合材料在国外已经实现了商品化，而在我国仅有 小批量生产，以汽车零件、机械零件为主，主要是耐磨复合材料 如颗粒增强铝基或锌基复合材料、短纤维增强铝基或锌、镁基复 合材料等，年产量仅5000t左右，与国外差距较大。
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3. 近期和未来的研究计划
在近期的研究计划中，重点研究了经过T1热处理后的 SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料，并与经过T1热处理后2618铝合金以 及碳化硅颗粒增强2000系列铝合金进行了对比。
研究结论是:经过Tl热处理后的17%碳化硅颗粒增强SiCp/AlFe-V-Si合金可用于制造比传统Al-Cu-Mg合金壁薄的导弹前弹体， 减重20%～35%，并有助于改善导弹的性能，例如提高速度，改进 制导与精度:这种薄壁前弹体可增加导弹的有效载荷容积。
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成分合金为基体，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45μm）的球状粉和平均直径为5μm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 积分数）。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。
Cf/Al
-
-
167
6
2. 第二阶段研究计划 1994年，英国确定了第二阶段铝基复合材料研究计划。
该计划的目标是探讨用铝基复合材料制造未来近程和中程空对 空高速导弹前弹体的可行性。研究的主要内容是颗粒增强铝基 复合材料的抗瞬时高温性能。希望该材料在350～400℃温度时 具有瞬时强度。研究的材料包括用不同质量分数碳化硅颗粒增 强的2124、2618及Al-Fe-V-Si多种铝基复合材料。研究的结论 是：碳化硅颗粒增强2000系列铝合金的强度在200℃以下受基 体材料支配，具有较高值；该材料的强度在200℃以上迅速降 低，主要原因是碳化硅颗粒产生沉淀；该材料不适宜制造导弹 前弹体，但适宜制造其他导弹零部件；Al-Fe-V-Si是专为高温 用途研制的铝合金，碳化硅增强的该合金显示出良好的应用前 景。
5
导弹零 部件 传统材料
材料 新材料
新材料 减重/% 减重/%
名称
制备方法
前弹体
钢
20%SiCp/Al-Si- 粉末冶金
49
94
Mg
弹翼
铝
20%SiCp/Al- 粉末冶金
15
-
Cu-Mg
尾部套管
铝
20%SiCp/Al-Si 铸造
34
112
Biblioteka Baidu组合尾翼 铝/钢 与轴
SiCp/Al
-
40～60
93
控制圆筒 铝
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9.1.1.3铝基复合材料在航天领域的其他应用 美国佛罗里达州的一个材料公司最近开发成功一种新型
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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、制动器组件、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、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。 1. 第一阶段研究计划
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在我国，金属基复合材料也于2000年前后正式应用在航天器
上。哈尔滨工业大学研制的SiCw/Al复合材料管件用于某卫星天线 丝杠，北京航空材料研究院研制的三个SiCp/Al复合材料精铸件 （镜身、镜盒和支撑轮）用于某卫星遥感器定标装置，并且成功
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圈 9-1 航天飞机轨道器中机身 B/Al 复合材料构架 图 9-2 哈勃望远镜 Cr 纤维/铝基复合材料悬架
图 9-3 为哈勃望远镜整体结构
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9.1.1.2 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/铝基新型复合材科，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，并已形成美国的国家军用标准 （MIL-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2/3的效果。
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9.1.1 金属基复合材料在航天领域的应用
9.1.1.1 连续纤维增强金属基复合材料在航天器上的应用
金属基复合材料在航天器上首次也是最著名的成功应用是， 美国NASA采用硼纤维增强铝基（50%Bf/6061Al）复合材料作为航天 飞机轨道器中段（货舱段）机身构架的加强桁架的管形支柱（见 图9-1）。
20世纪90年代初，英国确定了第一阶段铝基复合材料研究 计划。按照这个计划，英国对五个铝基复合材料导弹零部件进 行了设计研究。它们是前弹体、弹翼、尾部套简、控制尾翼与 轴以及控制圆筒。设计研究内容包括每种零部件所用的材料类 型、制造方法以及与传统材料相比较的制造成本（传统制造成 本为100%）与减重程度。研究结果见表9-1。
另一个著名的工程应用实例是，60%石墨（Gr）纤维（P100） /6061铝基复合材料被成功地用于哈勃太空望远镜的高增益天线悬 架（也是波导），这种悬架长达3.6m（见图9-2），具有足够的轴 向刚度和超低的轴向线胀系数，能在太空运行中使天线保持正确 位置，由于这种复合材料的导电性好，所以具有良好的波导功能， 保持飞行器和控制系统之间进行信号传输，并抗弯曲和振动。
9.1 金属基复合材料的应用
金属基复合材料自进入工业应用发展阶段以来，逐步拓宽 了应用范围，但由于价格较高且难以大幅度降低，使得许多可能 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。
金属基复合材料在国外已经实现了商品化，而在我国仅有 小批量生产，以汽车零件、机械零件为主，主要是耐磨复合材料 如颗粒增强铝基或锌基复合材料、短纤维增强铝基或锌、镁基复 合材料等，年产量仅5000t左右，与国外差距较大。
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3. 近期和未来的研究计划
在近期的研究计划中，重点研究了经过T1热处理后的 SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料，并与经过T1热处理后2618铝合金以 及碳化硅颗粒增强2000系列铝合金进行了对比。
研究结论是:经过Tl热处理后的17%碳化硅颗粒增强SiCp/AlFe-V-Si合金可用于制造比传统Al-Cu-Mg合金壁薄的导弹前弹体， 减重20%～35%，并有助于改善导弹的性能，例如提高速度，改进 制导与精度:这种薄壁前弹体可增加导弹的有效载荷容积。
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成分合金为基体，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45μm）的球状粉和平均直径为5μm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 积分数）。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。
Cf/Al
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2. 第二阶段研究计划 1994年，英国确定了第二阶段铝基复合材料研究计划。
该计划的目标是探讨用铝基复合材料制造未来近程和中程空对 空高速导弹前弹体的可行性。研究的主要内容是颗粒增强铝基 复合材料的抗瞬时高温性能。希望该材料在350～400℃温度时 具有瞬时强度。研究的材料包括用不同质量分数碳化硅颗粒增 强的2124、2618及Al-Fe-V-Si多种铝基复合材料。研究的结论 是：碳化硅颗粒增强2000系列铝合金的强度在200℃以下受基 体材料支配，具有较高值；该材料的强度在200℃以上迅速降 低，主要原因是碳化硅颗粒产生沉淀；该材料不适宜制造导弹 前弹体，但适宜制造其他导弹零部件；Al-Fe-V-Si是专为高温 用途研制的铝合金，碳化硅增强的该合金显示出良好的应用前 景。
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导弹零 部件 传统材料
材料 新材料
新材料 减重/% 减重/%
名称
制备方法
前弹体
钢
20%SiCp/Al-Si- 粉末冶金
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弹翼
铝
20%SiCp/Al- 粉末冶金
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Cu-Mg
尾部套管
铝
20%SiCp/Al-Si 铸造
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Biblioteka Baidu组合尾翼 铝/钢 与轴
SiCp/Al
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控制圆筒 铝