金属基复合材料在航空航天中的应用

金属基复合材料在航空航天中的应用

王春艳

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司

金属基复合材料指的是，由金属和合金共同构成的复合型材料。与聚合物基和陶瓷基复合材料共同被称为现代复合材料。按照金属和合金的配置不同，可以被分为铝基、镁基、铜基等复合材料。其中的铝基复合材料应用性能相对较好，为此被大量应用到航空制造，汽车产业和电子工业中。该种材料最初产生于20世纪60年代。但在当时的航空事业发展中，由于技术水平限制，并不能保证对新技术和新材料的有效应用。而在科技水平不断发展的基础上，金属基复合材料才得以被应用到各类生产活动中。

一、在导弹中的应用

铝基复合材料在导弹制造中的应用，集中表现在对三叉戟导弹的惯性导向球方面，与以往的铍材相比，表现出了良好的经济优势与性能优势。从当前的国际市场来看，导弹制造行业的竞争较为激烈，制造公司为了取得竞争优势就需要根据用户的使用需求，对导弹的性能进行改进，使其寿命和全寿命周期得到有效提升。而对于铝基复合材料的应用，为导弹技术的改进提供了可能。主要表现在通过替换原有的应用材料可以使导弹的重要结构性能得到明显改善。就导弹的壁板结构来说，利用铝基复合材料代替原有的壁板材料，可使其自身重量得到有效降低，同时还可使壁板结构的刚度和强度性能得到有效改善。另外，因结构自重的减轻，也可使导弹的运行速度得到进一步提升。

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、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。

二、铝基复合材料在航天制造中的应用

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目的球状粉和平均粒径为5m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。

三、金属基复合材料在航空制造中的应用

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/6061A1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。

美国方面的军用设备也将铝基复合材料划分为军用设备的指定材料。在一些战斗机设备的构件制造中，铝基复合材料发挥着不可替代的作用。在战斗机腹鳍的部分应用铝基复合材料有效提升了战斗机自身的全寿命周期。相关研究新结果表明，采用铝基复合材料进行腹鳍制造时，大大减少了战斗机检修的次数。同时，其自身的机动性能也得到了有效改善。可有效延长战斗机的使用寿命，在检修和使用方面的费用可减少约2600万美元。另外，在战斗机机身部位存在20几个活动的燃油检查口。在以往的结构制作中，所采用的检查口盖寿命仅为2000小时，而每年需要检修大概三到四次。为了提升燃油口盖的使用寿命，在其中添加了铝基复合材料。，使其自身的刚度和承载能力得到了进一步提升。经过实验验证，采用金属基材料作为主要制造材料的燃油检查口盖，其自身的使用寿命可延长至两年以上。

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。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。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。

参考文献：

[1]张元龙.试述金属基复合材料在航空航天领域的应用和发展[J].智能城市,2016(6).

[2]刘莹,孙璐,裴晓强.先进复合材料在航空航天的现状与应用[C]//第三届空间材料及其应用技术学术交流会论文集.2011.