金属基碳纤维复合材料在军事领域的应用

  金属基复合材料是以金属或合金为基体,含有增强体成分的复合材料。金属基复合材料弥补了树脂基复合材料耐热性差(一般不超过300℃)、不能满足材料导电和导热性能的不足,以其高比强度、高比模量、良好的高温性能、低的热膨胀系数、良好的导电导热性和尺寸稳定性在军事工业中得到广泛应用。金属基体主要有铝、镁、铜、钛、超耐热合金和难熔合金等多种金属材料,增强体一般可分为纤维、颗粒和晶须3类。

  未来高技术战争,首先是信息技术的战争,随着电子技术的进步,电子芯片的集成度将越来越高,这就要求电子封装材料必须满足芯片的散热问题,研究表明碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有高导热性能和低热膨胀系数,且价格便宜,是一种非常有前景的电子封装材料l。同时碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损的特点,可用于火箭、导弹构件,红外及激光制导系统构件,精密航空电子器件等。颗粒增强铝基复合材料已用于F-16战斗机作为腹鳍代替铝合金,其刚度和寿命大幅度提高。

  Ogden空军后勤中心评估结果表明:铝基复合材料腹鳍的采用,可以大幅度降低检修次数,全寿命节约检修费用达2600万美元,并使飞机的机动性得到提高。此外,F-16上部机身有26个可活动的燃油检查口盖,其寿命只有2000h,并且每年都要检查2~3次。采用了碳化硅颗粒增强铝基复合材料后,刚度提高40%,承载能力提高28%,预计平均翻修寿命可高于8000h,寿命提高幅度达17倍。颗粒增强金属基复合材料耐磨性极好,可作为火箭的飞行翼、箭头、箭体、结构材料,也可作飞机发动机中的耐热耐磨部件。

  碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时,还有接近零膨胀系数和良好的尺寸稳定性,可成功地用于制作人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜、人造卫星抛物面天线等。硼纤维增强金属基复合材料已用于制造F-114、F-115和幻影2000等军用飞机部件。碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能,是高推重比发动机的理想结构材料,目前已进入先进发动机的试车阶段。

  世界上第一个在航空上应用的钛基复合材料零件就是F-119发动机矢量喷管驱动器活塞。由于钛基复合材料的价格仍很昂贵,今后其用量的拓展将主要取决于成本的降低程度。在兵器工业领域,金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托,反直升机/反坦克多用途导弹固体发动机壳体等零部件。

 

  阅读延伸:《树脂基体在碳纤维复合材料中起什么作用