【文章內(nèi)容簡介】 以及 環(huán)境的化學(xué)反應(yīng) 等因素有關(guān)。 76 所謂 物理相容性問題 ，是指 基體應(yīng)有足夠的韌性和強度 ，從而能夠 將外部結(jié)構(gòu)載荷均勻地傳遞到增強物上 ，而不會有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。 77 基體和增強體之間 的一個非常重要的物理關(guān)系 是 熱膨脹系數(shù) ，因為 基體通常是韌性較好的材料 ，因此最好是基體有較高的熱膨脹系數(shù)。這是因為膨脹系數(shù)較高的相 從較高的加工溫度冷卻時 將受到張應(yīng)力。 78 對于 脆性材料的增強物 ，一般都是 抗壓強度大于抗拉強度 、 處于壓縮狀態(tài)比較有利 。而對于像鈦這類 高屈服強度的基體 ，一般卻要求避免 高的殘余熱應(yīng)力 ，因此 熱膨脹系數(shù)不應(yīng)相差太大 。 79 化學(xué)相容性 是一個更加復(fù)雜的問題。對于 原生復(fù)合材料 ，在制造過程中是 熱力學(xué)平衡的 。 例如，在平衡狀態(tài)下 凝固的共晶復(fù)合材料 ，對于這類晶體，其 兩相化學(xué)勢相等 ，而 比表面能效應(yīng) 也最小。 80 如果這種復(fù)合材料 在偏離制造溫度時有明顯的 相變或濃度變化 ，就會產(chǎn)生 不穩(wěn)定問題 ； 在 人造復(fù)合材料 中，兩相間發(fā)生 有害反應(yīng)的化學(xué)動力學(xué)過程 也相當(dāng)緩慢，一般可以滿足相容性要求。 81 對于 非平衡態(tài)復(fù)合材料 ，化學(xué)相容性問題要嚴重得多。如采用 石墨增強纖維時 ，纖維的浸潤和結(jié)合 都非常困難，在使兩相結(jié)合方面就會產(chǎn)生問題。 還有 纖維和環(huán)境的化學(xué)反應(yīng) 也是加工過程中遇到酌一個嚴重問題。高強度脆性纖維的有害反應(yīng)包括 應(yīng)力腐蝕 和 氧化 。 熱沖擊 也會使纖維損傷。 82 纖維和基體間的直接反應(yīng) 則是 更重要的相容性問題 。 對于像硼 鋁這樣的 低溫金屬基復(fù)合材料 ，可以靠 盡量降低制造溫度 來避免兩相間的化學(xué)反應(yīng)。 83 對 蠕變強度低的基體 ，采用 高壓低溫工藝 也能獲得良好的固結(jié)和粘合。 像 硼 鎂 或 鎢 銅等 復(fù)合系，因為 兩相間不反應(yīng)，不互镕 ，因此可以采用 熔液滲透法 制造。 84 但對于 高溫復(fù)合材料 而言，以下的 與化學(xué)相容性有關(guān)的問題 則十分重要。 (1)?F兩相反應(yīng)的自由能 ； (2)U化學(xué)勢 ； (3)T表面能 ； (4)D晶界擋散系數(shù) ； 85 第一個問題 ? F， 不僅對 制造過程 ，而且對 高溫應(yīng)用過程 都是很重要的。 纖維和基體反應(yīng)的自由能變化 代表 該反應(yīng)的驅(qū)動力 ，在高溫下該值的大小變得更加重要。設(shè)計高溫復(fù)合材料的材料工作者應(yīng)該確定 所選系統(tǒng) 可能發(fā)生的反應(yīng)的自由能變化。 86 化學(xué)相容性的第二個問題是 關(guān)于 每個組元中每個元素的化學(xué)勢 。 如果 各組分相間的化學(xué)勢不等 ，常常會導(dǎo)致 界面不穩(wěn)定 而使纖維性能下降。 例如，欲用 氧化鋁和鎳合金 組成復(fù)合材料， 為防止鋁擴散 ，鋁 (和氧等 )在兩相中的化學(xué)勢必須相等。 87 兩相混合物的表面能 可能非常高，因而 使界面很不穩(wěn)定 。這個問題對 晶須增強復(fù)合材料 是很重要的。而對 碳化鎢加鈷復(fù)合系 來說，其 表面能關(guān)系則是有利的 。 88 由 晶界或表面擴散系數(shù)控制的 二次擴散效應(yīng) 常使復(fù)合系中 兩組分相的關(guān)系 發(fā)生很大變化。 例如，鎢絲增強鎳合金中碰到的一個重要問題即是鎳向鎢晶界擴散，從而導(dǎo)致鎢絲再結(jié)晶溫度下降。 89 另外，還有一些 二次擴散效應(yīng) ，如液態(tài)金屬脆化 和 氫脆 。 在復(fù)合材料中，如果 某一相的間隙氫濃度偏高 ，便會危及另一相 從而會發(fā)生氫脆 。 90 第二節(jié) 鋁基復(fù)合材料 一、鋁基復(fù)合材料的特點 航空航天工業(yè)中需要大型的、重量輕的結(jié)構(gòu)材料，例如波音 747大型運輸機、遠距離通信天線、巨型火箭及宇航飛行器等。在設(shè)計這些結(jié)構(gòu)時，問題之一就涉及到平方 — 立方尺寸關(guān)系，即結(jié)構(gòu)的強度與剛度隨其尺寸的平方增加．而重量卻隨其線尺寸的立方增加。所以，假若要保證大型結(jié)構(gòu)的機動性和高效率，就需要更完善的設(shè)計和更好的材料。 91 復(fù)合材料的一個主要目標就是應(yīng)用像硼那樣極高強度的共價結(jié)合纖維與適合于結(jié)構(gòu)制造和應(yīng)用的基體來克服這些限制。而鋁則是被選用最廣的基體材料。 目前關(guān)于硼 — 鋁復(fù)合材料的研究主要包括以下幾個方面的內(nèi)容： (1)研制強度高、剛性大、重量輕的構(gòu)件，這在航空航天領(lǐng)域中顯得尤為重要。 (2)改進大型構(gòu)件的制造技術(shù)，研制可靠耐用的材料及構(gòu)件。 (3)改進硼 — 鋁復(fù)合材料的制造應(yīng)用技術(shù)，促使其成本盡可能降低。 92 與樹脂基復(fù)合材料相比，硼鋁的彈性模量更接近各向同性，而且其非軸向強度也較高。硼 — 鋁復(fù)合材料的橫向抗拉強度和剪切強度大約與鋁合金基體的強度相等．這就比樹脂基材料可能達到的強度要高得多。 93 除上述特點外，硼 — 鋁復(fù)合材料的其它重要物理性能與機械性能有，高的導(dǎo)電件和導(dǎo)熱性、塑性和韌性、耐磨性、可涂復(fù)性、連接性、成型性和可熱處理性及不可燃性。高溫性能和抗?jié)衲芰τ诠こ探Y(jié)構(gòu)的耐久性也常常是重要的。而硼 — 鋁復(fù)合材料的優(yōu)越性能則為其應(yīng)用提供了有利的保障。 94 二、硼鋁復(fù)合材料 作為結(jié)構(gòu)應(yīng)用來說，選擇復(fù)合材料組元的主要目標是高比模量和高比強度，硼 鋁復(fù) 合材料因此在研究與發(fā)展上受到了很大的重視。 95 1． 增強纖維 對增強纖維的主要要求是比模量高、比強度高、性能重復(fù)性好、價格低以及易于制造成復(fù)合材料。與這些要求有關(guān)的纖維主要性能已列于表 6— 2中，在表中的每一種纖維與硼纖維相比都各有缺點。 96 玻璃纖維強度較高價格低廉，但它的模量低易與鋁起反應(yīng)。氧化鋁纖維的比模量和比強度較低且價格昂貴。碳化硅纖維與鋁的反應(yīng)比硼小，并已作為硼纖維的涂層使用．但其密度比硼高30％、且強度較低。高模量石墨纖維似乎很有吸引力，但它以紗線形式出現(xiàn)卻是一個嚴重缺點，因為用固態(tài)制造方法很難使金屬滲入為數(shù)一萬根的纖維束中，而熔融的鋁合金又會與纖維起劇烈反應(yīng)。 ??鈦合金 Ti6Al4V的冷拉絲材和沉淀硬化鋼“火箭”絲 NS— 355， 內(nèi)于密度大而在比強度和比模量上難以與硼相比。冷拉鈹絲性能好，但生產(chǎn)成本太高也限制了其應(yīng)用。 97 硼纖維是用化學(xué)氣相沉積法由鎢底絲上用氫還原三氯化硼制成的。將鎢絲電阻加熱到 1100—1300℃ 并連續(xù)拉過反應(yīng)器以獲得一定厚度的硼沉積層．這樣便在鎢絲上沉積了顆粒狀的無定形硼。目前大量供應(yīng)的纖維有 100um和 140um兩種直徑，有的纖維帶有 2um厚的碳化硅涂層，其目的是為了改進纖維的抗氧化性能。 140um硼纖維的室溫密度為 2． 55g／ cm3。 由于硼纖維的表面具有高的殘余壓縮應(yīng)力，因此纖維易操作處理，并對表面磨損和腐蝕不敏感，這是硼纖維的一項很有意義的特性。 98 此外，硼纖維還具有良好的高溫性能，它在 600℃ 時仍保持 75％強度，在600℃ 和 700℃ 時的蠕變性能比鎢還好。但在 500℃ 以上暴露于氧氣中短時間纖維的強度就會嚴重受損，在表面涂一層碳化硅正是為了防止這種破壞作用。 99 2．基 體 硼纖維選擇鋁合金作為基體是出于鋁合金具有良好的綜合性能。所謂良好的綜合性能是指良好的結(jié)合性能，較高的斷裂韌性．較強的阻止在纖維斷裂或劈裂處的裂紋擴展能力；較強的抗腐蝕性，較高的強度等。對于高溫下使用的復(fù)合材料．還要求基體具有較好的抗蠕變性和抗氧化性。此外，基體應(yīng)能熔焊或釬焊，而對于某些應(yīng)用還要求基體能采用復(fù)合蠕變成型技術(shù)。 100 目前普遍使用的鋁臺金有變形鋁、鑄造鋁、焊接鋁及燒結(jié)鋁等。這些鋁合金并不完全符合硼纖維對金屬基體的要求．但某些合金已得到了成功的使用，這其中最普遍的是采用變形鋁為基體用固態(tài)熱壓法制得的復(fù)合材料。 101 三、鋁基復(fù)合材料的制造 復(fù)合材料的制造包括將復(fù)合材料的組分組裝并壓合成適于制造復(fù)合材料零件的形狀。常用的工藝有兩種，第一種是纖維與基體的組裝壓合和零件成型同時進行；第二種是先加工成復(fù)合材料的預(yù)制品，然后再將預(yù)制品制成最終形狀的零件。前一種工藝類似于鑄件，后一種則類似于先鑄錠然后再鍛成零件的形狀。