金属基复合材料的发展分析

  当前,金属基复合材料主要应用于发动机的中、低温部件。常用的金属基复合材料是纤维增强铝合金基、钛合金基复合材料。金属基复合材料,尤其是纤维增强钛基复合材料,是先进航空承力部件的候选材料。其最主要的优点就是它具有高的比强度和高的比刚度。用这样的材料加工部件,其重量将比传统的合金材料部件轻。

  而且,金属基复合材料是可以设计的,通过合理的搭配,可以实现特殊的用途。金属基复合材料的应用往往决定于航空工业的特殊要求,看是否满足产品的不同形式。比如,单向纤维增强的复合材料环和杆等用于发动机,而层板和梁则适合于飞机结构。另外,和一般的金属材料相比,金属基复合材料的性能对温度不太敏感,由于纤维的存在,还增加了基体材料抵抗裂纹扩展的能力。

  MMC复合材料至少具有耐538℃的潜力并且有可能达到980℃的高温。同目前决定发动机工作温度范围的现有的镍基合金相比,钛基化合物可以更大限度的减轻结构重量。例如,刚度和强度相当的钛合金的密度仅仅是镍基合金的一半。此外,MMC是唯一正在研制并具有固有延展率的强基体复合材料。正打算把这些材料用在高载荷的结构部,件上,如轴、涵道、盘。

  金属基复合材料的发展离不开航空航天工业的发展和支持。在美国,高性能涡轮发动机综合技术计划(IHPTET)是推动金属基复合材料在涡轮发动机中得以应用的首要的推动力。这个计划的目的是通过采用先进的材料实现新结构和采用先进的气动设计等完整的计划提高发动机的推重比,减小燃油消耗率。金属基复合材料发展的另外一个推动力来源于高速飞机。当飞机的速度超过5马赫,则需要能承受更高温度的高比强度和比刚度材料。对高速飞机,除了结构梁,还需要能承受两向或多向应力的大尺寸的复合材料板。而这些能力正是金属基复合材料拥有的。

  在航空航天工业界的大力推动下,金属基体纤维增强复合材料得到了迅猛的发展。由于金属基复合材料的发展,使材料领域发生了一场革命。材料性能的提高必然带来其功能的改变和应用范围的扩大。反过来也推动了航空航天工业的发展。和未增强的金属合金相比,金属基复合材料拥有更高的刚度,更高比强度,而且对疲劳具有更好的抵抗力。因此金属基复合材料已经被众多的要求重量轻、可靠性高的结构所选用。

  总之,航空航天技术的需要推动了复合材料的发展,反过来,航空航天技术的发展也越来越依赖于复合材料等先进材料的发展。已经研制和试验了用于发动机机匣、盘、压气机叶片以及尾喷管的复合材料。用复合材料制造控制箱体、导管和作动器,能大大地减轻结构重量。金属基复合材料在结构设计上的应用依赖于一系列的因索,包括:成本,加工特性,机械特性,应用可靠性,等等。