摘 要

　　

　　毫不避諱地說，現(xiàn)代復(fù)合材料科學(xué)始于金屬基復(fù)合材料（metal-matrix composites，MMC）。然而，這些最早誕生的復(fù)合材料后來卻被碳纖維增強聚合物（CFRP）所取代。與此同時，陶瓷基復(fù)合材料（ceramic matrix composites，CMCs) 和碳-碳復(fù)合材料（carbon–carbon composites，CCC）等其他一些碳纖維復(fù)合材料也得到了迅速發(fā)展，并成功地應(yīng)用于某些領(lǐng)域。

　　

　　就全球技術(shù)影響而言，CFRP絕對占據(jù)主導(dǎo)地位，但是在許多應(yīng)用中CFRP卻無法取代金屬，其原因有兩個：第一，聚合物的使用溫度有限；第二，聚合物基復(fù)合材料的斷裂韌性相對較低。CMC和CCC主要用于特定應(yīng)用領(lǐng)域，例如燃氣渦輪發(fā)動機的葉片、熱交換器、醫(yī)療植入物、熱保護結(jié)構(gòu)和制動器等。

　　

　　未來10年或20年，碳纖維增強金屬、基于難熔金屬和高熵合金的高溫復(fù)合材料有望成為航空航天材料和其他技術(shù)領(lǐng)域的下一次飛躍，正如幾十年前CFRP推動這些技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展一樣。碳纖維/金屬基復(fù)合材料（CFMMC）在未來的金屬基復(fù)合材料中占據(jù)著特殊的地位，因為（i）各種具有不同性能的碳纖維CFMMC已經(jīng)被開發(fā)出來，有些仍在開發(fā)中；（ii）CFMMC的制造工藝、微觀結(jié)構(gòu)和機械性能方面的豐富知識已經(jīng)積累起來，為人們在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域經(jīng)驗提高奠定了基礎(chǔ)。

　　

　　本系列專題文章主要回顧了鋁基、鈦基和鎳基復(fù)合材料研究進展，在本文中首先討論了金屬鋁基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀。

　　

　　

　　

　　自從碳纖維出現(xiàn)以來，便立即引起了金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域研究的關(guān)注，第一種基體材料就是鋁。碳纖維/鋁基復(fù)合材料的成為CFMMC領(lǐng)域研究熱點。隨著時間的推移，人們對這類復(fù)合材料的興趣已經(jīng)從結(jié)構(gòu)應(yīng)用轉(zhuǎn)向高導(dǎo)熱性很重要的應(yīng)用。在下文中，C–Al復(fù)合材料的本質(zhì)將略有提及，因為我們將關(guān)注機械性能對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用的重要性。

　　

　　碳纖維/鋁基復(fù)合材料的主要問題為碳-熔融鋁的相互作用導(dǎo)致碳化鋁Al4C3的形成。充滿缺陷的碳化物層導(dǎo)致纖維強度下降，而碳化物層厚度隨著時間的推移而增加，復(fù)合材料強度下降，如下圖1所示，該圖通過在800°C–36 MP–90 s下壓力鑄造得到的碳纖維/純鋁基復(fù)合材料，然后在600°C下熱處理制備得到，纖維體積分數(shù)為14%，加熱60小時后，約10%的碳纖維轉(zhuǎn)化為碳化物。

　　

　　

 

　　

　　圖1 碳纖維/鋁基復(fù)合材料的強度與600°C退火時間的關(guān)系

　　

　　關(guān)于碳化鋁對復(fù)合材料強度影響的最有趣的數(shù)據(jù)可能是由Portnoi等人發(fā)表的。研究人員通過在670至760°C的溫度下壓力鑄造1分鐘來制備復(fù)合材料。通過改變鑄造溫度會導(dǎo)致碳化物含量的變化，進而影響復(fù)合材料強度的變化（圖2）。

　　

　　

　　

　　圖2 碳纖維/鋁基復(fù)合材料的彎曲強度與界面處碳化物相含量關(guān)系，其中纖維體積分數(shù)為46%

　　

　　注意，復(fù)合材料的強度隨著碳化物體積分數(shù)從約0.01增加到約0.03而增加。碳化物含量的進一步增加導(dǎo)致復(fù)合材料強度的降低。這可以通過纖維-基體界面的相應(yīng)變化來解釋。鋁熔體不會潤濕碳，因此短時間的熔體-碳接觸會產(chǎn)生一層薄的碳化物層，這為纖維-基體界面提供了強度；但是充滿缺陷的厚碳化物層導(dǎo)致纖維退化和界面強度降低。

　　

　　部分研究人員針對M40J基高模碳纖維和純鋁基體復(fù)合材料中碳化物界面的形成進行了細致的研究，他們通過在750°C–25 MPa–10 min條件下采用壓力鑄造制備了試樣。發(fā)現(xiàn)由于碳快速擴散到熔體中，纖維表面缺陷上會出現(xiàn)碳化物夾雜。碳化物夾雜的生長導(dǎo)致相鄰纖維之間形成脆性橋。纖維團簇降低了復(fù)合材料的強度。

　　

　

　　

　　在過去的幾十年中，碳纖維/鋁基復(fù)合材料主要是作為具有高導(dǎo)熱性和足夠高強度的非結(jié)構(gòu)應(yīng)用材料而發(fā)展起來的。比如，采用強度為2200MPa、軸向?qū)嵯禂?shù)為396w/（m?K）的連續(xù)中間相碳纖維和純鋁作為基體材料。在接近鋁熔點的650℃熱壓下制備了復(fù)合材料試樣。

　　

　　復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)照片顯示了一種非晶物質(zhì)和一定數(shù)量的碳化物晶體，其強度和熱導(dǎo)率的測量結(jié)果如圖3所示。復(fù)合材料中臨界纖維體積分數(shù)約為40%。在實際制造過程中纖維和鋁之間的相互作用會導(dǎo)致纖維性能退化。復(fù)合材料在橫向上的導(dǎo)熱系數(shù)很低，這是由纖維上包覆的碳化物涂層的低導(dǎo)熱系數(shù)決定的。

　　

　　

　　

　　圖3 碳纖維/鋁基復(fù)合材料的強度和熱導(dǎo)率與纖維體積分數(shù)的關(guān)系