金属基复合材料 (MMCs,metalmatrix composites)发展于 20 世纪 60 年代初,其具有较高的比强度、比刚度以及良好的抗蠕变、耐高温性能,在近 20年无论是理论基础还是技术水平都取得了长足的发展。 连续 Cf/Al 复合材料符合轻量化、高模量、高比强度的发展要求,在航空航天和先进武器装备上展现出巨大潜力,已经发展为 MMCs 的一个重要分支,特别是近些年来, 碳纤维的性能得到了突飞猛进的提高,碳纤维的极限强度已达到了 7000~8000MPa, 抗拉强度是标准型碳纤维的两倍,伸长率为 2%,模量从230GPa 提高到 300GPa。 连续 Cf/Al 复合材料的性能取决于纤维的排布方式,分散状态和制备方法,短碳纤维在基体中易于分散,不易受损。国内外学者对短 Cf/Al 复合材料的研究方法已经趋于成熟, 对于连续 Cf/Al 复合材料, 制备方法的探索仍是热点问题, 主要集中在界面处理和连续碳纤维如何均匀分散问题上。 本文重点对连续 Cf/Al 复合材料的研究现状与性能进行了综述并总结。
铝基复合材料的增强相主要有颗粒、晶须(或短纤维)与连续纤维。 颗粒、晶须和短碳纤维作为首选的增强体, 具有易于分散的优势,但由于偏聚和尖锐化造成应力集中等缺陷,却大大影响了复合材料的性能。 连续纤维兼具高刚度、强度和韧性,被广泛应用于连续纤维增强金属基复合材料领域。 连续 Cf/Al复合 材料主要由 铝基体、增 强纤维 和 Cf/Al 界面 组成,其中 连续纤维增 强体主要承 受载荷,基 体 则 起到固结和保护纤维同时部分承担、 传递载荷和裂纹扩展的作用。
界面 问 题 一 直 困 扰 着 金 属 基 复 合 材 料 的 研 究者, 尤其是对铝基复合材料的研究。 碳纤维在高温下与基体铝复合时发生严重的界面反应,生成 Al4C3化合物,大大降低了复合材料的抗拉强度。 国内外学者大多用镀涂及气相沉积技术在碳纤维表面制备涂层,目的是阻止纤维与基体间的反应,同时提高润湿性。为此,前人对碳纤维的金属涂层和非金属涂层做了大量研究。
总结与展望
经过近 30年的研究摸索, 现有的连续 Cf/Al 复合材料成型方法中发展潜力和效果明显的是压力浸渗和超声振动液体浸渗法, 但这些方法局限于层状、板状材料,且材料性 能具有方向 性,对大体积、大块体和形 状复杂的纤维增强铝基复合材料的研究还不系统。目前, 连续 Cf/Al 复合材料的制备方法已初步完善, 但该复合材料还不能替代传统的金属基复合材料,还需对现有的制备方法进行参数改进,降低生产成本,简化生产工艺,使其可以工业化生产。 国外已有学者将连续 Cf/Al 复合材料的制备与计算机模拟进行结合。 另外,复合材料分析方法单一,还缺少相应的理论指导,今后需加强此方向的研究开发。