碳纤维增强铝基复合材料的真空压力浸渗工艺及应用

一、背景
       近年来，随着汽车工业、航空宇航、电子通讯技术的飞速发展，要求作为这些行业基础的材料除具有高强度、高模量、耐高温等基础性能外，还对材料的比重、韧性、耐磨、耐蚀、光电等性能提出了更多种要求。 　　对于单一材料来说往往不能很好的满足诸多性能的要求，就需要把不同性能的材料组合起来，制备成复合材料，使的材料间取长补短。复合材料是用经过选择的、含一定数量比的两种及两种以上组分或组元，通过人工复合，组成多相、三维结合且各相之间有明确界面的，具有特殊性能的材料[1]。复合材料的最大优点是材料的性能具有可设计性。材料的设计自由度高，所以进展迅猛。 　
       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，尤其是受到航空航天部门的青睐[2,3]。 　　碳纤维增强金属基复合材料具有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[2]。近年来，伴随着高性能碳纤维的出现，以及因产量扩大而成本降低，对碳纤维增强铝基复合材料的制备及应用受到广泛重视[4]。 　　
二、 碳纤维增强铝基复合材料 　 
       1、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]。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[7]。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[8]。 　
　     2、碳纤维增强铝基复合材料 　
　    近年来在金属基复合材料领域，铝基复合材料的发展尤为迅速。这不仅因为它具有一系列优点，而且因为在世界范围内有丰富的资源，加之可用常规设备和工艺加工成型和处理，因而制备和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济，易于推广和应用。 　　目前，制备Cf/Al复合材料的基体铝合金主要选用Al-Mg-Si系和Al-Cu-Mg系等可热处理强化的合金。最新应用的防锈铝LF6，系镁含量高的Al—Mg合金，可焊性、抗蚀性良好，强度中低，冷变形可提高强度，适于制造中载构件，液体容器、管道等零件。 　
三、 Cf/Al复合材料的制备工艺 　　碳纤维增强铝基复合材料的制造方法[8]主要有: 　
　    1、 熔融浸润法 　
　    用液态铝及铝合金浸润纤维束，使每根纤维被熔融金属润湿后除去多余的金属而得到复合丝，再经挤压而制得复合材料。其缺点是熔融铝及铝合金可能会对纤维性能造成损伤。 　　
        2、 挤压铸造法 　　
       使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔，压力一直施加到凝固结束，使金属液态到凝固均处于高压下。挤压铸造法因高压改善了金属熔体的浸润性，所制得复合材料的增强纤维与铝及铝合金间的反应最小，没有空隙和缩孔等常规铸造缺陷。 　
　    3、扩散粘结法 　
　   铝箔与经表面处理后浸润铝液的碳纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层，在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘结成型以得到铝基复合材料的制造方法。 　
　    4、 粉末冶金法
　　采用等离子喷溅法在排列好的增强纤维上喷涂金属铝粉，或把金属铝粉分散在丙烯酸树脂进行涂敷，制成预制板，将其交替重叠后在真空或氩气中，在接近铝熔点温度下加压烧结以获得纤维增强铝基复合材料。
　　5、 真空压力浸渗法 　
　   采用真空压力浸渍法时, 先将放入模具内的增强预成型体抽真空，然后施加压力将熔融的金属液体压入模具内复合，冷却后得到制件。 　　该方法虽然存在设备昂贵及工件尺寸有限的缺点，但对小型制件而言，却有不少可取之处，因为除了有增强体的范围大、制品质量好的优点外，还可以实现近似无余量成型，特别适合于复杂精密的制件[2]。 　
四、真空压力浸渗的工艺参数 　
　   Cf/Al复合材料的真空压力浸渗工艺参数主要有： 　
　   1、 浸渗温度 　
　   浸渗温度，是真空压力浸渗工艺中重要的工艺参数。整个制备过程中，对温度的选择，决定了材料成型后，纤维的界面反应情况。如果浸渗温度过高，容易造成纤维与基体的高温界面反应，生成大量的界面反应物Al4C3脆性相，基体与增强体界面结合过强;浸渗温度过低，界面反应虽然有所减缓，但是铝熔液在浸渗过程中会快速冷却到铝凝固点以下，导致材料复合失败。 　
　    2、浸渗压力 　
　    浸渗压力是真空压力浸渗工艺中另外一个重要的工艺参数，浸渗压力决定了金属浸渗纤维预制块的过程，并影响最终复合材料的致密度。 　
　    3、真空度 　
　   材料制备过程的真空度，决定了最终复合材料中增强体纤维的氧化受损程度，对复合材料的最终性能具有重要意义。 　
五、 Cf/Al复合材料应用前景 　
　    碳纤维增强铝基复合材料具有高强度和高模量，其密度小于铝合金，模量却比铝合金高2~4倍，因此用复合材料制成的构件具有质量轻、刚性好、可用最小的壁厚做成结构稳定的构件，提高设备容量和装载能力，可用于航天飞机、人造卫星、高性能飞机等方面。以飞机质量为例，飞机机身质量约占起飞质量的50%，燃料占25%，只有25%留作负载。如果将轻量且高强度的Cf/Al复合材料用于飞机的制造，只要使其质量减少10%，那么有效负载就增加20%。作为最经济高效的飞机结构件减重增效的途径，Cf/Al复合材料在飞机结构件上的应用正趋扩大。 　
　   用Cf/Al复合材料制成的导航系统和航天天线，可有效地提高其精度；用碳纤维增强铝基复合材料制成的卫星抛物面天线骨架，热膨胀系数低、导热性好，可在较大温度范围内保持其尺寸稳定，使卫星抛物面天线的增益效率提高4倍，同时还显著减轻了结构的质量。
　　随着研究探索的深入，除了率先在宇航、航空和兵器中得到应用，在民用工业中的应用也日渐增多，广泛地应用于飞机构件、汽车发动机零件、滑动部件、计算机集成电路的封装材料以及电子设备的基板等方面[8]。
　　近年来，碳纤维增强铝基复合材料的发展特别迅速，因为在世界范围有丰富的铝资源和高性能碳纤维的出现及碳纤维成本的降低，所以纤维增强铝基复合材料的制备和加工比其它金属基复合材料更为经济，易于推广和应用，受到人们的普遍重视。 　
　    Cf/Al复合材料的成本主要来自原材料和制备带来的成本，在航天飞行器中，所使用的材料每降低一公斤，发射成本就降低1万美元。因此，只要进一步地降低其研究费用、提高其价格/性能比，高比强的Cf/Al复合材料将具有非常广阔的前景。