【文章內容簡介】 以及 環(huán)境的化學反應 等因素有關。 76 所謂 物理相容性問題 ，是指 基體應有足夠的韌性和強度 ，從而能夠 將外部結構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 高的殘余熱應力 ，因此 熱膨脹系數(shù)不應相差太大 。 79 化學相容性 是一個更加復雜的問題。對于 原生復合材料 ，在制造過程中是 熱力學平衡的 。 例如，在平衡狀態(tài)下 凝固的共晶復合材料 ，對于這類晶體，其 兩相化學勢相等 ，而 比表面能效應 也最小。 80 如果這種復合材料 在偏離制造溫度時有明顯的 相變或濃度變化 ，就會產生 不穩(wěn)定問題 ； 在 人造復合材料 中，兩相間發(fā)生 有害反應的化學動力學過程 也相當緩慢，一般可以滿足相容性要求。 81 對于 非平衡態(tài)復合材料 ，化學相容性問題要嚴重得多。如采用 石墨增強纖維時 ，纖維的浸潤和結合 都非常困難，在使兩相結合方面就會產生問題。 還有 纖維和環(huán)境的化學反應 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包括 應力腐蝕 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 則是 更重要的相容性問題 。 對于像硼 鋁這樣的 低溫金屬基復合材料 ，可以靠 盡量降低制造溫度 來避免兩相間的化學反應。 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和粘合。 像 硼 鎂 或 鎢 銅等 復合系，因為 兩相間不反應，不互镕 ，因此可以采用 熔液滲透法 制造。 84 但對于 高溫復合材料 而言，以下的 與化學相容性有關的問題 則十分重要。 (1)?F兩相反應的自由能 ； (2)U化學勢 ； (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 高溫應用過程 都是很重要的。 纖維和基體反應的自由能變化 代表 該反應的驅動力 ，在高溫下該值的大小變得更加重要。設計高溫復合材料的材料工作者應該確定 所選系統(tǒng) 可能發(fā)生的反應的自由能變化。 86 化學相容性的第二個問題是 關于 每個組元中每個元素的化學勢 。 如果 各組分相間的化學勢不等 ，常常會導致 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 組成復合材料， 為防止鋁擴散 ，鋁 (和氧等 )在兩相中的化學勢必須相等。 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 晶須增強復合材料 是很重要的。而對 碳化鎢加鈷復合系 來說，其 表面能關系則是有利的 。 88 由 晶界或表面擴散系數(shù)控制的 二次擴散效應 常使復合系中 兩組分相的關系 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，從而導致鎢絲再結晶溫度下降。 89 另外，還有一些 二次擴散效應 ，如液態(tài)金屬脆化 和 氫脆 。 在復合材料中，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) 鋁基復合材料 一、鋁基復合材料的特點 航空航天工業(yè)中需要大型的、重量輕的結構材料，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。在設計這些結構時，問題之一就涉及到平方 — 立方尺寸關系，即結構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，假若要保證大型結構的機動性和高效率，就需要更完善的設計和更好的材料。 91 復合材料的一個主要目標就是應用像硼那樣極高強度的共價結合纖維與適合于結構制造和應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。 目前關于硼 — 鋁復合材料的研究主要包括以下幾個方面的內容： (1)研制強度高、剛性大、重量輕的構件，這在航空航天領域中顯得尤為重要。 (2)改進大型構件的制造技術，研制可靠耐用的材料及構件。 (3)改進硼 — 鋁復合材料的制造應用技術，促使其成本盡可能降低。 92 與樹脂基復合材料相比，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 — 鋁復合材料的其它重要物理性能與機械性能有，高的導電件和導熱性、塑性和韌性、耐磨性、可涂復性、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構的耐久性也常常是重要的。而硼 — 鋁復合材料的優(yōu)越性能則為其應用提供了有利的保障。 94 二、硼鋁復合材料 作為結構應用來說，選擇復合材料組元的主要目標是高比模量和高比強度，硼 鋁復 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、性能重復性好、價格低以及易于制造成復合材料。與這些要求有關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。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。 ??鈦合金 Ti6Al4V的冷拉絲材和沉淀硬化鋼“火箭”絲 NS— 355， 內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，但生產成本太高也限制了其應用。 97 硼纖維是用化學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，基體應能熔焊或釬焊，而對于某些應用還要求基體能采用復合蠕變成型技術。 100 目前普遍使用的鋁臺金有變形鋁、鑄造鋁、焊接鋁及燒結鋁等。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)熱壓法制得的復合材料。 101 三、鋁基復合材料的制造 復合材料的制造包括將復合材料的組分組裝并壓合成適于制造復合材料零件的形狀。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合材料的預制品，然后再將預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。