连续纤维增强金属基复合材料强势特点

近几十年来，由于汽车工业、航空、宇航、原子能、电子工业及通讯技术的发展，要求材料除具有高强度、高模量、耐高温等性能外，还对材料的比重、韧性、耐磨、耐蚀、光电等性能提出了种种要求。这些性能对于单一材料来说往往是满足不了的，就需要把不同性能的材料组合起来，取长补短。复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，因其能发挥组成原材料的协同作用，同时又有很大的材料设计自由度，

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金属基复合材料(Metal Matrix Composites，简称MMCs)除了具有高比强度、高比模量和低热膨胀系数等与树脂基复合材料相似的特点外，还有能耐更高温度、防燃、横向强度和刚度高、不吸潮、高导热与导电率，抗辐射性能好、在使用时不放出气体等优点，显示了树脂基复合材料不可比拟的特点，因此得到了国内外研究者的高度重视。连续纤维增强金属基复合材料(Fiber Reinforced Metal Matrix Composites,简称FRMMCs)是最早进行研制开发的金属基复合材料，自六十年代开始，至今已有四十多年的历史，在基础研究和实际应用方面都取得了很大的发展。由于连续纤维具有比基体金属高得多的强度和模量，采用纤维增强金属基复合材料将获得很高的比强度和比模量，是航空、航天等对构件质量要求苛刻的高技术领域理想的结构材料。石墨(碳)纤维增强镁基复合材料具有优异的机械性能，和低密度、低热膨胀系数、高的导电导热性能、良好的尺寸稳定性，以及可设计性强等优点，其比强度和比刚度也是金属基复合材料中最高者之一，因其巨大的应用潜力而成为国内外学者的研究热点。

一、连续纤维增强金属基复合材料的特点

金属基复合材料按增强体类型不同，一般可分为连续增强金属基复合材料和非连续增强金属基复合材料。其中非连续增强包括颗粒增强、短纤维增强和晶须增强等，连续增强则包括不锈钢丝增强、连续纤维增强等。连续纤维增强金属基复合材料具有以下特点：

①比强度高、比模量高；

②高温性能好；

③导电、导热性好；

④纵向力学性能、层间剪切强度高；

⑤不吸湿，不老化；

⑥可设计性强。

二、常见增强体纤维的种类和性能

连续纤维增强金属基复合材料的增强体主要有以下几种。

(1)硼纤维 在增强体纤维研制的初期，B 纤维是有效的。B 纤维的生产，早期是用化学气相沉积法将B 沉积在底芯W 丝上。为了降低密度，减小B 纤维直径，研制了在单丝C 芯上沉积B 纤维。B 纤维常用来增强Al、Mg、Ti 金属，其中B-Al 复合材料研究较早，已转入产品实验和使用阶段，如用于制造喷气发动机风扇叶片。这种复合材料制造工艺相对成熟，因而目前仍被采用，随C 纤维增强金属基复合材料制造工艺的逐渐成熟，有被其超越的趋势。

(2)碳化硅纤维 SiC 纤维的制造方法主要有两种：一是气相沉积法在W 丝或C 丝上沉积SiC，这种方法的缺点是生产速度慢、产量有限；二是用聚碳硅烷制造SiC 纤维，连续生产，产量较高。SiC 纤维目前主要用来增强Al、Ti等，此纤维特点是本身不易与金属反应，但纤维强度比B 纤维低。

(3)氧化铝纤维 Al2O3纤维一般是以α- Al2O3粒子中加入粘结剂形成糊状，制成喷丝，经1000℃以上高温烧成。这种纤维弹性模量、抗拉强度高，浸渗性好，与基体反应小，是一种重要的增强纤维。

(4)碳纤维 碳纤维是一种碳含量超过90%的纤维状碳材料，碳纤维同时具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能[9]。原料不同烧结工艺不同，得到的碳纤维性能差异很大，其用途也有所不同。常用的碳纤维按原丝来源可分为粘胶纤维、PAN基(聚丙烯腈)纤维和沥青纤维。粘胶纤维的强度低、杨氏模量也低，但是由于成本低，仍然用于某些复合材料的制造。PAN基碳纤维性能较好，但价格较高，主要用于对性能要求极高的航空航天领域。沥青类碳纤维与PAN基碳纤维相比，具有一定的价格优势，在汽车、机械电子等领域显示出较好的应用前景。目前世界主要聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产厂家的总生产能力已达到31650 吨的规模，仅次于芳纶，跃居世界高性能纤维的第二位。http://www.gdzhenghang.net