 作者简介： 付耀耀，博士，中国科学院宁波材料所智库中心主管，江厦智库《中国新基建与5G智慧城市》课题组专家。 本文预计阅读20分钟 ▼ 材料是社会发展的物质基础和先导，新材料技术一直是世界各国科技发展中的一个十分重要的领域，它与信息技术、生物技术、能源技术一起被认为是当今社会总览人类全局的高技术。“一代材料，一代装备”，新材料是航天科技发展的重要物资基础，一代新型航天产品的诞生往往建立在一大批先进新型材料研制成功的基础上，同时也可以带动许多新材料项目的快速启动和应用。  新中国成立以来，以两弹一星为代表的航天产品的研制曾经带动促进了我国许多关键新材料项目的启动和开展。改革开放以来，随着我国国民经济的迅速发展和经济实力的增强，载人航天、嫦娥工程、遥感卫星、卫星导航通信等重点工程的开展需要众多新材料的支撑，也带动了我国许多关键新材料研制取得突破。 材料按照其化学组成和分子结构，可分为金属材料、无机非金属材料和有机非金属材料（以合成高分子材料为主）三大类，由于复合材料产量越来越大、品种越来越多，应用越来越广泛，所以现在也有的分类体系把复合材料列为第四大类材料，但从材料的属性来看，复合材料是上述三大类材料以不同方式进行组合和复合而得到的一大类材料。现代科学技术发展突飞猛进，各种新材料、新产品、新技术不断突破，各个学科和各个领域涌现出大量性能优异、功能特殊，甚至带有神奇色彩的新材料，为了更能突出材料在现代高新技术中的作用和地位，采用了新材料这个概念。 金属基复合材料及其航天应用 现代科学技术的迅速发展对材料性能的要求日益提高，除了优异的力学性能外，还希望材料具有某些特殊性能和良好的综合性能。单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料已难以满足这些性能要求，为了克服单一材料性能上的局限性，人们已越来越多地根据零、构件的功能要求和工况条件，设计和选择两种或两种以上化学、物理性能不同的材料按一定的方式、比例、分布结合成复合材料，充分发挥各组成材料的优良特性，使复合材料达到的特殊和综合性能，以满足各种特殊和综合性能需求，也可以更经济地使用材料。  金属基复合材料是复合材料一个新的分支，与树脂基复合材料相比，目前尚不成熟；但由于金属基复合材料比树脂基复合材料耐温性有所提高，此外它还具有导电和导热性以及在高真空条件下不释放小分子、不老化的特点，克服了树脂基复合材料在航天领域中使用时存在的缺点。因此，金属基复合材料在航天领域具有广阔的应用前景。 （一）金属基复合材料的性能特点 金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体以及增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合可以获得既有金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐磨性，以及兼具有阻尼、耐热性、优良的导热和低的热膨胀系数、高的中子吸收等优异的综合性能。综合归纳金属基复合材料具有以下性能特点： 1. 高比强、比模量 由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强物，明显提高了复合材料比强度和比模量，特别是高性能连续纤维——硼纤维、碳（石墨）纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。密度只有1.85g/cm3的碳纤维的强度可达到7000MPa，比铝合金强度高出10倍以上，加入30%～50%的高性能纤维作为复合材料的主要承载体，复合材料的比强度、比模量成倍地高于基体合金的比强度和比模量。 2. 导热、导电性能 金属基复合材料中金属基体占有很高的体积分数，仍保持着三维连续，因此保持金属所持有的良好导热和导电性。良好的导热可以有效地传热，迅速散热减少构件受热后产生的温度梯度，这对尺寸稳定性要求高的构件和高集成度的电子器件尤为重要。良好的导电性可以防止空间飞行器表面电荷堆积，避免电击穿等。 3. 热膨胀系数可设计，尺寸稳定性好 金属基复合材料中所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维、晶须、颗粒等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量，特别是高模、超高模量的石墨纤维具有负的热膨胀系数。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种工况要求。例如，石墨纤维增强镁基复合材料，当石墨纤维含量达到48%时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生热变形，这对航天器构件特别重要。  （陶瓷基复合材料的涡轮转子叶片） 4. 良好的高温性能 由于金属基体的高温性能比树脂高很多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量。因此，金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料。在复合材料中纤维起着主要作用，纤维强度在高温下基本上不下降，纤维增强金属基复合材料的高温性能可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能高许多。如钨丝增强耐热合金，其1100oC、100小时高温持久强度为207MPa，而基体合金的高温持久强度只有48MPa；又如石墨纤维增强铝基复合材料在500oC高温下，仍具有600MPa的高温强度，而铝基体在300oC强度已下降到100MPa以下。因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度提高发动机的性能和效率。总之金属基复合材料做成的零构件比金属材料、树脂基复合材料零件能在更高的温度条件下使用。 5. 耐磨性好 金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因为陶瓷增强体的加入本身可以提高基体的耐磨性。另一方面，如加入石墨等增强体，提供本质润滑，改变复合材料的磨损机制，提高金属基复合材料的耐磨性。 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性比铸铁还好，比基体金属高出几倍，其在汽车、机械工业具有重要的应用前景，可用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件，能明显提高零件的性能和寿命。 6. 良好的疲劳性和断裂韧性 金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强体与金属基体的界面结合状态，增强体在金属基体中的分布以及金属、增强体本身的特性，特别是界面状态，最佳的界面结合状态既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。 7. 不吸潮、不老化、不放气、气敏性好 金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，这比树脂基复合材料优越，在空间使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境。 8. 韧性和塑性低 金属基复合材料由于增强体的引入，阻碍了金属基复合材料的变形，所以一般金属基复合材料的韧性、塑性比相应基体合金的低。而对承力等部件所用材料必须具有一定的韧塑性。 （二）金属基复合材料的制备方法 金属基复合材料一般按增强体的形式分类，可分为连续纤维增强、非连续增强（短纤维增强、晶须增强或颗粒增强）等。针对这些复合材料，已开发出多种金属基复合材料的制备方法，各制备方法的特点如表1-1所示。 搅拌铸造法和粉末冶金法相对比较成熟，已具备批量生产的条件。搅拌铸造法成本最低，但是此方法所得材料性能不稳定，几率性较大；同时存在界面反应，颗粒难分布均匀等问题。如果要应用搅拌铸造法制备航天用材料，仍需开展特殊设备和工艺条件的研究，获得性能稳定的复合材料。粉末冶金法所得材料性能良好，常用于制造各种尺寸精密的粉末冶金零件，已用于制备航天材料；但是此方法制备成本较高。 挤压铸造法、真空压力浸渍法和无压浸渍法不但可以制备高体积分数颗粒增强复合材料，还可以用于制备连续纤维增强复合材料。挤压铸造法工艺相对简单，但是预制件中的气体不易在凝固前排出而造成气孔与疏松，同时预制件也易发生变形和偏移。因此，此类方法较普遍地使用在小型零部件制造中。相对来说，真空压力浸渍法制品质量较好，同时还可以实现近终成型，非常适合精密件复杂件的制造，其应用于制备航天材料具有广阔的前景。目前，美国和法国的公司和航天航空研究机构等都在研究发展此类制备方法。无压浸渍法是一种比较新颖的制备方法，工艺简单，成本较低。此类方法的关键是设计合适的具有良好润湿性的复合材料体系。最近，有报道[5]把无压浸渍法与原位反应法相结合，通过熔体与添加物之间的反应改善润湿性，促进熔体浸渍，是一个有前景的发展方向。 原位反应复合法是一种新开发的制备技术，此工艺方法克服了传统外加法的一些缺点，如界面反应，润湿性等问题；并且工艺简单，成本较低，是一种很有发展前景的工艺方法。但是此类方法目前仅限于实验室阶段，所得材料性能重现性不好。要想在航天领域应用，还需进一步加强机理研究，优化工艺条件。另外，原位反应复合法可防止纳米相的团聚和纳米晶体的长大，特别适合制备纳米复合材料，可获得高性能的新型纳米材料，促进航天器材料的更新换代。  （三）金属基复合材料的航天应用 1. 结构部件应用 金属基复合材料具有高的比强度和比模量，以及良好的尺寸稳定性特别适合在航天结构和机构中使用，可以降低航天器的结构重量，增强荷重比。如在美国航天飞机中，采用了连续纤维增强铝基复合材料管，比用铝合金减重了145kg，相当于降低质量44%，同时节省了空间。又如哈勃望远镜结构中采用P100/6061Al复合材料制备天线支架，使支架具有理想的刚度和低的热膨胀系数，保证了哈勃卫星运行过程中天线的位置精度。并且，由于金属基复合材料具有优异的导电性能，可以在天线和飞行器之间传输电信号，从而使支架具有波导功能。  2. 热控部件应用 金属基复合材料具有良好的导热性能，同时其热膨胀系数可设计，使得适用于电子封装。电子封装材料需要具有良好的导热系数，对于运动部件尤其要求具有良好的比导热系数；同时，电子封装材料还需要具有合适的热膨胀系数，一般其热膨胀系数需在4-7×10-6/K之间。因为此热膨胀系数可匹配半导体和基体材料的热膨胀系数，避免产生残余应力。 3. 载荷部件应用 金属基复合材料由于具有高的比强度、比刚度，优异的导热性，低的热膨胀系数以及良好的尺寸稳定性，所以人们开始研究航天器中对精度要求高的零部件采用金属基复合材料来制备。 航天器零部件受到的载荷主要包括两部分，一部分是热载荷，一部分是力载荷。利用金属基复合材料优异的抗热和力载荷性能，开展了金属基复合材料在航天器有效载荷中的应用研究。 4. 金属基复合材料航天应用展望 金属基复合材料由于具有非常优异的综合性能，人们一直开展其在航天器领域中的应用研究。但是金属基复合材料尚存在一些有待解决的问题，阻碍了其大规模应用，经过不断的努力，相信金属基复合材料在航天器中具有巨大的应用潜力，目前存在的问题及发展方向主要如下： 5. 开发新的制备技术 制备大型、复杂构件的方法仍在发展中。目前制备金属基复合材料的成本较高，并且其工艺又比较复杂，不成熟，所制得材料的质量稳定性差。为了扩大金属基复合材料的应用范围，必须优化或开发新的制备技术，使其生产工艺具有在可接受的价格程度内生产出高质量、不同尺寸规格和复杂程度的构件。同时，生产工艺具有稳定性，不仅是工艺过程稳定；而且要降低产品的废品率，提高产品的合格率。因此，需开发新的低成本制备高质量稳定性复合材料的制备技术。  （碳纤维树脂基复合材料） 6. 改变设计理念 扩大金属基复合材料应用的一个重要挑战是复合材料的设计理念要改变。在金属基复合材料设计中，由于其外在表现形式像金属，人们一般认为其应该具有金属的行为，采用类似金属材料的设计原则，而不是采用同样具有低塑性的树脂基复合材料的设计原则。因此，材料工程设计者应该克服这种原有设计习惯，或者开发具有高韧性、高塑性的金属基复合材料。 7. 完善数据库 金属基复合材料具有性能可设计性，因此性能可设计性使其需要更多的辅助性能数据库。目前，颗粒增强金属基复合材料及连续纤维增强金属基复合材料都没有足够的性能数据库，增加了金属基复合材料航天应用验证的成本和难度。为了扩大金属基复合材料的应用，首先要建立完善的性能数据库。同时，通过扩大金属基复合材料在汽车、娱乐和航空工业等不同市场的应用，不断总结和积累金属基复合材料的使用经验。 8. 建立检测标准 金属基复合材料的检测手段是扩大金属基复合材料应用的基础。为了控制价格，目前要求使用标准的无损检测技术（NDI）。无损检测技术能否检测出金属基复合材料中存在的缺陷及金属基复合材料适应的检测标准需要进一步研究。 9. 深化机械加工和材料连接技术研究 机械加工和焊接是金属基复合材料面临的另一个挑战。特别是对连续纤维增强金属基复合材料机械加工，必须避免对连续纤维的破坏；而颗粒增强金属基复合材料由于增强体的加入，严重降低普通刀具的寿命，虽然使用金刚石刀具可以达到加工的目的，但仍需优化其加工工艺。传统的材料连接技术，如焊接，应用到金属基复合材料需要重新进行研究，因为金属基复合材料中增强体的加入会影响熔池中流体的流动以及影响熔池和热影响区。因此，需进一步研究金属基复合材料机加工和材料连接技术。 （如需转载，请标明来源） |
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