结构复合材料的基体

用于各种航空航天、汽车、先进武器系统等构件的复合材料一般均要求有高的比强度和比刚度,有高的结构效率,因此大多选用铝及铝合金、镁及镁合金作为基体金属。目前研究发展较成熟的金属基复合材料主要是铝基、镁基复合材料,用它们制备成各种高比强度、高比模量的轻型结构件,广泛用于航空航天、汽车等领域。

在发动机,特别是燃气轮机中所需的结构材料是热结构材料,要求复合材料零件在高温下连续安全工作,工作温度在650℃~1200℃,同时要求复合材料有良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温力学性质。镁、铝复合材料一般只能用在450℃左右,而钛合金基体复合材料可用到650℃,而镍、钴基复合材料可在1200℃使用。最近在研究的金属间化合物为热结构复合材料基体。

结构复合材料基体大致可分为轻金属基体和耐热合金基体两大类。

(1)用于450℃以下的轻金属基体

目前发现最成熟、应用最广泛的金属基复合材料是铝基和镁基复合材料,用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、制动盘等,并已形成工业行业规模生产。对于不同类型的复合材料应选用合适的铝、镁合金基体。连续纤维增强金属基复合材料一般选用纯铝或含合金元素少的单相铝合金,而颗粒、晶须增强金属基复合材料则选择具有高强度的铝合金。

(2)用于450℃~700℃的复合材料的金属基体

钛合金具有相对密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点,是一种可在450℃~700℃下使用的合金,通常在航天发动机等零件上使用。用高性能碳化硅、碳化钛颗粒、硼化钛颗粒增强钛合金,可以获得更高的高温性能。美国已成功地制成碳化硅纤维增强钛复合材料,用它制成的叶片和传动轴等零件可用于高性能航空发动机。

(3)用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体

用于1000℃以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物,较成熟的是镍基、铁基高温合金。金属间化合物基复合材料尚处在研究阶段。镍基高温合金是广泛使用于各种燃气轮机的重要材料。

 

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