連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的研制進展及關(guān)鍵問題

王 濤， 趙宇新， 付書紅， 張 勇， 曾維虎， 韋家虎， 李 釗

(北京航空材料研究院先進高溫結(jié)構(gòu)材料重點實驗室，北京100095)

連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料是利用高強度、高模量、低密度的硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳纖維與石墨纖維等作為增強體，與相應(yīng)的金屬基體復(fù)合而成。其中增強纖維絕大多數(shù)情況下是作為承載組分，而金屬基體主要起黏結(jié)纖維、傳遞載荷、部分承載的作用。由于性能優(yōu)良的連續(xù)纖維加入，使得復(fù)合材料具有輕質(zhì)，比強度、比模量高，耐磨性強，耐高溫性能好，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，抗疲勞，抗老化等優(yōu)良的綜合性能，在先進武器、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)外研究機構(gòu)和學(xué)者對連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料進行了大量的研究，本工作對其研究現(xiàn)狀、應(yīng)用情況進行概括，對該類復(fù)合材料研制過程中的關(guān)鍵問題如界面問題、成型問題、制備工藝、性能等進行總結(jié)，并提出相應(yīng)的研究方法和研究思路。

1 連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的種類及其應(yīng)用情況

1.1 纖維增強鋁基復(fù)合材料

目前已經(jīng)成功應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料的連續(xù)長纖維有硼纖維、碳(石墨)纖維、SiC纖維、Al2O3纖維和不銹鋼絲等。纖維的加入顯著地提高了合金的比強度、比剛度、抗疲勞和磨損性能、高溫性能等。

1.1.1 硼纖維增強鋁基復(fù)合材料

硼纖維性能好、尺寸較大(φ=100～140μm)，使硼-鋁復(fù)合材料在制造工藝上較為簡單，是連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料中最早研究成功和應(yīng)用的材料之一。硼-鋁復(fù)合材料的拉伸強度和彈性模量均明顯高于基體，這種復(fù)合材料的優(yōu)越性在高溫時尤其突出，而且其疲勞性能優(yōu)異。美國和前蘇聯(lián)的航天飛機中機身框架及支柱和起落架拉桿等都采用硼-鋁復(fù)合材料。如美國航天飛機的主艙框架就是用硼纖維增強鋁基復(fù)合材料制成，比鋁合金框架減重44%，產(chǎn)生了巨大的效益。硼-鋁復(fù)合材料還具有較強的中子吸收能力，用來制造廢核燃料的運輸容器和儲存容器可顯著減重。另外硼-鋁復(fù)合材料還可以制作移動防護罩、控制桿、噴氣發(fā)動機網(wǎng)扇葉片、飛機機翼蒙皮、結(jié)構(gòu)支撐件、飛機垂直尾翼、導(dǎo)彈構(gòu)件、飛機起落架部件、自行車架、高爾夫桿等部件［1］。

1.1.2 碳(石墨)纖維增強鋁基復(fù)合材料

碳(石墨)纖維密度小，具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能。碳-鋁復(fù)合材料最成功的應(yīng)用是美國哈勃望遠鏡的兩個兼作波導(dǎo)管用的長為3.6m的長方形天線支架，此外還可用做人造衛(wèi)星的支架、L頻帶平面天線、人造衛(wèi)星拋物面天線、照相機波導(dǎo)管和鏡筒、紅外反射鏡等［2］。

1.1.3 SiC纖維增強鋁基復(fù)合材料

與硼和碳纖維相比，在較高溫度下SiC纖維與鋁的相容性較好。對于以鎢絲或碳絲作底絲經(jīng)化學(xué)氣相沉積制得的碳化硅纖維，纖維上殘留的游離碳很少，含碳量較低，與鋁不易發(fā)生反應(yīng)，在制造工藝上相對較為容易，是鋁基復(fù)合材料較好的一種增強物。SiC-鋁基復(fù)合材料主要用作飛機、導(dǎo)彈、發(fā)動機的高性能結(jié)構(gòu)件，如飛機的3m長L型加強板，噴氣式戰(zhàn)斗機垂直尾翼平衡和尾翼梁，導(dǎo)彈彈體及垂直尾翼，汽車空調(diào)器箱，移動式橋的下桁鉉、主柱和г受壓管，小的重量輕的壓力容器和聚變反應(yīng)器等［3］。

1.2 連續(xù)纖維增強鎂基復(fù)合材料

鎂基復(fù)合材料的主要特點是密度低，比強度和比剛度高，同時還具有良好的耐磨性、耐高溫性、耐沖擊性、優(yōu)良的減震性能及良好的尺寸穩(wěn)定性和鑄造性能等;但由于工藝復(fù)雜、價格昂貴，目前主要應(yīng)用于航天及航空部門。鎂合金常用的連續(xù)增強體有碳纖維、硼纖維、Al2O3纖維、鋁-鈦纖維、鈦纖維等［4，5］。

碳纖維和鎂合金基體的潤濕性較差，使其在成型與制備上存在一定的難度。制備碳纖維增強鎂基復(fù)合材料需要解決的首要問題就是改善碳纖維與鎂合金之間的潤濕性，常用的最有效方法就是碳纖維表面涂層處理，利用溶膠-凝膠方法在碳纖維表面涂覆一層SiO2、化學(xué)鍍Ni等方式已經(jīng)得到良好的實驗驗證［6～8］。碳纖維增強鎂基復(fù)合材料目前已經(jīng)在航空航天的高精度空間結(jié)構(gòu)材料、汽車工業(yè)以及軍工制造等領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用前景［9，10］，主要用作航天器結(jié)構(gòu)材料如衛(wèi)星天線的桁架結(jié)構(gòu)、航天站的安裝板以及航天器的光學(xué)測量系統(tǒng)等［11］。以上應(yīng)用多采用單向碳纖維增強鎂基復(fù)合材料。為了克服單向材料性能的各向異性等缺點，對二維織物結(jié)構(gòu)鎂基復(fù)合材料也進行了初步的研究［12］，獲得了具有徑向和緯向熱膨脹系數(shù)對稱的復(fù)合材料試樣，但對其他性能未能進行深入研究。合金絲、Al2O3纖維增強鎂基復(fù)合材料起步晚，目前只是處于實驗室研制階段［13］。

1.3 連續(xù)纖維增強鈦基復(fù)合材料

纖維增強鈦基復(fù)合材料的發(fā)展已有30多年的歷史，美國、法國、英國、德國、日本等發(fā)達國家均投入大量的人力和物力對該復(fù)合材料進行了系統(tǒng)和深入的研究［14～18］。由于高性能增強陶瓷纖維的研制成功，使纖維增強鈦基復(fù)合材料的性能(比強度，比剛度)大幅度提高，與此同時，制造工藝日趨完善。制造成本降低，已在飛機發(fā)動機的壓氣機盤件中得到試用，大大地降低了發(fā)動機的重量，提高發(fā)動機推重比［19］。鈦合金常用到的成熟連續(xù)增強體主要是SiC纖維，其他如Al2O3纖維、金屬纖維、TiB2纖維等仍處于研制階段。

SiC纖維增強鈦基復(fù)合材料是鈦基復(fù)合材料研究最廣泛和深入的一種復(fù)合材料。SiC纖維通常與基體鈦合金發(fā)生反應(yīng)，C和Si原子從纖維通過界面向基體擴散，Ti、A1、Nb等元素通過界面向纖維擴散，在纖維與金屬基體之間會形成多層反應(yīng)產(chǎn)物。因此為了避免嚴重的界面反應(yīng)，在纖維表面進行涂層處理。目前已商業(yè)化生產(chǎn)的SiC纖維表面均涂覆耐高溫碳層來保護纖維不開裂及減輕纖維與基體的反應(yīng)。SiC纖維所增強的鈦合金種類有β型鈦合金(Ti-15V-3Cr，β-21s)、α+β型鈦合金(Ti-6Al-4V)、近α型鈦合金(IMI834，Ti6242)、鈦鋁金屬間化合物(TiAl，Ti3Al)等［20］。目前該類復(fù)合材料也得到了良好的應(yīng)用，如美國國防部和NASA資助建立的SiC纖維增強鈦基復(fù)合材料的生產(chǎn)線，為單級直接進入軌道航天飛機提供機翼和機身的蒙皮、支撐衍梁、加強筋等構(gòu)件［21］;羅-羅公司采用SCS-6/Ti-6-4復(fù)合材料制造超音速飛機蒙皮;美國懷特實驗室及美國空軍采用 SCS-6/Ti-6-4復(fù)合材料板及 SCS-6/Ti-22Al-23Nb復(fù)合材料用于宇航飛機和先進戰(zhàn)斗機的渦輪部件［22］。F-16戰(zhàn)斗機的腹鰭和加油口蓋板，B777客機、P＆W4084、4098發(fā)動機的風(fēng)扇導(dǎo)向葉片和F/A-18E/F超級大黃蜂戰(zhàn)斗機的液壓系統(tǒng)分路閥箱均采用 SiC增強的金屬基復(fù)合材料制造。DWA公司已制備出SiCf/Ti的葉盤、葉環(huán)等典型部件，并進行了成功試車。20世紀90年代初，在IHPTET研究計劃下，AADC公司設(shè)計和實驗了XTC-16系列核心機的4級壓氣機的第3，4級采用碳化硅增強的鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)。其制造工藝為先采用普通的鈦合金鍛造成毛坯，然后加工出葉片，并在環(huán)內(nèi)側(cè)加工出“V”形環(huán)槽，在槽內(nèi)裝入由碳化硅纖維增強的鈦合金插入件，再用普通鈦合金覆蓋在插件上，熱等靜壓，使之復(fù)合成一體。該整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量大大減輕，如第3級整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量只有4.5kg左右，而用鎳基合金制造的同樣轉(zhuǎn)子(非整體葉環(huán))的實際質(zhì)量為25kg［23］。另外SiC纖維增強鈦基復(fù)合材料在發(fā)動機機匣、低壓軸、壓氣機轉(zhuǎn)子葉片等部件上得到應(yīng)用［24～26］。

1.4 連續(xù)纖維增強鎳基復(fù)合材料

鎳基復(fù)合材料具有良好的高溫強度、抗熱疲勞、抗氧化和抗熱腐蝕性，是取代傳統(tǒng)鎳基高溫合金制造航空、航天、艦船及工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機中重要受熱部件的新型金屬基復(fù)合材料。目前鎳基復(fù)合材料的研制處于初始階段，尚未見應(yīng)用報道，但其應(yīng)用前景已得到國內(nèi)外航空、航天界的關(guān)注。增強纖維與鎳基體的界面反應(yīng)以及熱膨脹系數(shù)不匹配問題是目前的研究重點［27～29］。從目前的研究情況來看，主要的強化纖維有SiC纖維、碳纖維、Al2O3纖維、金屬纖維等。

SiC纖維與鎳基合金存在較嚴重的界面反應(yīng)，另外SiC與 Ni合金的線膨脹系數(shù)分別為4.7× 10-6℃-1(25～2127℃)，15.6×10-6℃-1(25～800℃)，兩者的熱膨脹系數(shù)存在較大差異。因此SiC纖維必須進行涂層處理才能解決界面反應(yīng)、緩解界面應(yīng)力等問題。國內(nèi)東北大學(xué)與中科院金屬所對SiC纖維表面涂層進行了較為系統(tǒng)的研究［30，31］，采用高溫氧化、電弧離子鍍以及溶膠-凝膠等方法對纖維表面涂覆處理制備出C-A12O3，SiO2-A12O3復(fù)合涂層，通過真空熱壓法制備出SiCf/Ni復(fù)合材料。經(jīng)過真空熱處理后，復(fù)合涂層很好地保護了纖維的完整性，涂層中的A12O3層與基體Ni界面結(jié)合良好，有效地阻擋了SiCf/Ni界面處元素互擴散。

用鎢絲、釷鎢絲增強鎳基合金可以大幅度提高其高溫持久性能和高溫蠕變性能，一般可以提高100h持久強度1～3倍，主要用于高性能航空發(fā)動機葉片等重要部件。另外Hu W［32］等采用熱壓工藝制造A12O3纖維增強Ni-Al金屬間化合物基復(fù)合材料。在熱壓過程中發(fā)生Ni原子向纖維極弱的擴散，在界面的局部區(qū)域形成5～20nm厚的薄膜。

2 連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵問題

金屬基復(fù)合材料是在基體金屬基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，他們能夠克服基體金屬的一些弱點。由于各種金屬本身物理性能和化學(xué)性能的不同，使得不同金屬基復(fù)合材料的研制和應(yīng)用情況存在較大差異，但是這些材料在研究過程中所采用的方法相近，因此研究的熱點和重點具有相似性。經(jīng)過對多種金屬基復(fù)合材料研制過程的概括，其研究重點和熱點主要包含復(fù)合材料的制備技術(shù)、界面研究、性能研究和加工技術(shù)等幾個方面［33～35］，下面對各個方面進行簡單的介紹。

2.1 連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)

傳統(tǒng)的連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的制備方法可以分為三大種類，分別為固態(tài)法、液態(tài)法和涂層熱壓法。復(fù)合材料的制備方法對復(fù)合材料的性能具有很大的影響，選取制備方法的原則是不造成增強相和金屬基體原有性能的下降，避免不利的界面反應(yīng)發(fā)生，同時考慮方法的經(jīng)濟性。

2.1.1 固態(tài)法

將金屬粉末或金屬箔與纖維按設(shè)計要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再經(jīng)加壓、加熱，將金屬基體與增強物復(fù)合黏結(jié)在一起，形成復(fù)合材料。整個固態(tài)復(fù)合工藝過程處于較低的溫度，金屬基體與增強相均處于固態(tài)，各組成成分間的界面反應(yīng)不嚴重。固態(tài)法可以細分為箔-纖維-箔法(FFF)、絲材/纖維/絲材法、粉末布法、脈沖通電熱壓法(PCHP)。

FFF法是制備纖維增強鈦基復(fù)合材料最原始的方法，首先用金屬絲將增強纖維編織成蓆子，然后再將金屬箔材與其進行箔材/纖維/箔材復(fù)合后熱壓制成復(fù)合材料。該方法示意圖如圖1所示。美國Textron特種材料公司用FFF法成功地制造出 SCS6-SiC/Ti-24Al-11Nb金屬間化合物基復(fù)合材料。FFF法主要難點在于基體合金箔的制造，這也是限制其廣泛應(yīng)用的瓶頸。因此美國FMW公司在該工藝的基礎(chǔ)上進行技術(shù)改進，用鈦絲材來代替鈦箔，使制造成本降低80%，并且改進后的工藝已制成GE發(fā)動機F110和F119的矢量噴嘴及連接件［17］。粉末布法和脈沖通電熱壓法(PCHP)目前處于實驗室研究階段［36］，未見應(yīng)用報道。

圖1 箔材/纖維/箔材(FFF)復(fù)合法制備纖維增強金屬基復(fù)合材料的示意圖［17］Fig.1 Sketch of composites preparation by FFF

2.1.2 液態(tài)法

液態(tài)法是指基體金屬處于熔融狀態(tài)下與固態(tài)增強材料復(fù)合在一起的方法。液態(tài)法所適用的金屬基體主要為較低熔點的材料，如鎂、鋁和鋅合金等，對于熔點高的鈦基和鎳基復(fù)合材料應(yīng)用較少。液態(tài)法可以分為液態(tài)滲透法、壓力鑄造法等。

液態(tài)滲透法是先把纖維增強相預(yù)制成型，然后將基體熔體傾入，在無壓力或小壓力下使其浸滲到纖維間隙而達到復(fù)合化的目的。液態(tài)滲透法通常是在真空或有惰性氣體保護下進行的。由于滲透過程中壓力較低，該方法可以生產(chǎn)大的復(fù)雜近凈成型零件，不會產(chǎn)生預(yù)制塊運動、纖維損傷等問題。該方法中纖維與液態(tài)金屬間的潤濕性是至關(guān)重要的，通過在基體中添加特定的合金元素及纖維表面改性可以很好地控制兩者之間的潤濕性和界面反應(yīng)。另外，金屬液在連續(xù)纖維預(yù)制體中的補縮問題是凝固過程中的又一重要問題［37］。凝固補縮是減少縮松及改善復(fù)合材料性能的重要途徑，纖維束間距、束內(nèi)纖維間距、溫度梯度和凝固壓力均對補縮具有重要影響［38］。

壓力鑄造法又稱擠壓鑄造、液態(tài)模鍛、鍛造法等。其原理是將編制好的增強纖維預(yù)制體放入到鑄型中，然后向鑄型中澆入金屬液體，而后對固液混合體施以高壓，使金屬滲入預(yù)制體后凝固為致密的復(fù)合材料，其示意圖如圖2所示。該方法的缺點是容易造成纖維預(yù)制體變形，纖維受損，難以實現(xiàn)零件的近凈成型［39］，而且目前只能鑄造中小型鑄件。

圖2 壓力鑄造制備復(fù)合材料示意圖Fig.2 Sketch of composites preparation by pressure casting

2.1.3 涂層熱壓法

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涂層法是將基體材料沉積或涂覆到增強纖維上，然后將帶基體的纖維進行復(fù)合，從而制成致密的復(fù)合材料。應(yīng)用最為廣泛的是物理氣相沉積法(PVD法)，該方法是指首先利用PVD法在單根纖維的表面涂覆基體合金，然后將涂覆好的單根纖維集束在一起，利用熱等靜壓或熱壓等方式固結(jié)成型。該方法可以在纖維上涂覆任何金屬基體，如鈦合金、鎳合金、鋁合金、鎂合金、銅合金、鋅合金等等，對高熔點金屬表現(xiàn)出更具潛力的應(yīng)用前景［40］。物理氣相沉積法又包含多種方法，如三極管控制濺射PVD法、磁控濺射PVD法等。PVD工藝參數(shù)的選取是涂覆質(zhì)量的關(guān)鍵，也是成功制備復(fù)合材料的前提條件，針對不同的基體合金探索最優(yōu)的濺射功率、濺射壓力、濺射溫度、基體涂層的致密度和組織結(jié)構(gòu)是該方法研究的必經(jīng)之路。PVD方法較固態(tài)法省去了基體合金的制備工序，一方面避免了低塑性合金箔的研制，另一方面較粉末冶金法大大提高了經(jīng)濟效益;另外PVD法較液態(tài)法的應(yīng)用范圍更為廣泛。對于鈦、高溫合金等，其熔點非常高以至于以這類合金為基體的復(fù)合材料無法采用液態(tài)法進行制備，較高的加熱溫度造成了增強纖維的破壞，從而嚴重影響復(fù)材的各項性能。因此該方法是鈦基、鎳基復(fù)合材料的優(yōu)良制備方法，對于航空發(fā)動機用復(fù)合材料的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。另外PVD法的另一優(yōu)點是可以精確控制涂覆的金屬化學(xué)成分和纖維體積分數(shù)，涂層雜質(zhì)較少。該方法得到了較廣泛的應(yīng)用。如德國宇航中心利用該方法制備出SCS-6/Ti-6242復(fù)合材料，纖維含量達到35%，材料的使用溫度達到基體最高使用溫度540℃［41］。

2.2 連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的界面研究

連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料所承受的載荷是要通過界面由基體傳遞到纖維上，纖維/基體之間界面的性質(zhì)包括結(jié)合狀態(tài)和強度、界面的殘余應(yīng)力狀態(tài)等對復(fù)合材料性能具有非常大的影響，因此金屬基復(fù)合材料的界面問題是復(fù)合材料研制過程中的重點和熱點。

2.2.1 纖維與基體間界面反應(yīng)研究

(1)纖維與基體間界面反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)研究

增強相與基體間良好的物理和化學(xué)相容性是金屬基復(fù)合材料設(shè)計的基本要求。物理相容性主要集中于增強相與基體之間的熱膨脹系數(shù)研究，熱膨脹系數(shù)相差較大時，界面處產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，有可能導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，甚至開裂。在化學(xué)相容性方面，通常選用最小自由焓原理作為判斷復(fù)合材料中兩組元之間在一定溫度，一定環(huán)境下是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)［42］。另外［43，44］還可以利用 Gaussian-98量子化學(xué)計算程序求解薛定諤方程，求得復(fù)合材料界面反應(yīng)的熱力學(xué)及動力學(xué)數(shù)據(jù)，建立反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)模型，從而為纖維的選取提供理論依據(jù)。

(2)纖維與基體間界面的微觀結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機理研究

基體材料與增強體間比較理想的界面均是以化學(xué)方式相結(jié)合的，因此反應(yīng)機理和微觀結(jié)構(gòu)是界面研究的最基本問題。當前XRD、SEM、TEM、EDS等先進的測試手段被廣泛地應(yīng)用到界面微觀結(jié)構(gòu)的觀察，界面的相組成、元素分布、界面厚度變化規(guī)律等得到揭示。界面反應(yīng)的過程是合金元素發(fā)生擴散的過程，因此界面反應(yīng)擴散是界面反應(yīng)機理研究的一個重要方面。目前界面反應(yīng)擴散的研究［45，46］主要包括擴散模型的建立、擴散熱力學(xué)和動力學(xué)研究、界面反應(yīng)擴散控制機理、擴散障礙涂層研究等。其中大多數(shù)擴散研究集中在各反應(yīng)層的熱力學(xué)計算、擴散通道、反應(yīng)順序的推斷，較多地從整體反應(yīng)層方面討論了界面反應(yīng)層的生長動力學(xué)，而對各個界面反應(yīng)層的生長動力學(xué)及各反應(yīng)層中的微觀擴散機理研究較少。

(3)纖維表面改性處理研究

金屬基復(fù)合材料所用到的增強纖維大多為陶瓷材料，如碳纖維、SiC纖維等，一方面纖維與基體浸潤性可能較差，造成復(fù)合材料界面黏合性能差;另一方面纖維與基體合金在高溫下有可能發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，造成纖維的損傷，從而影響復(fù)合材料的性能;再者纖維與金屬基體熱膨脹系數(shù)存在較大差異時，界面處經(jīng)常產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成復(fù)合材料性能的下降。因此纖維的表面改性處理是研制高性能金屬基復(fù)合材料的重要研究內(nèi)容。對于金屬基復(fù)合材料的增強纖維，其表面改性處理主要是通過對纖維進行表面涂層涂覆，涂層種類包含金屬、陶瓷等，涂層結(jié)構(gòu)有單層、雙層和復(fù)合涂層。例如 Brendel A等［47］采用磁控濺射方式在表面富C的SiC纖維表面鍍鈦層，研究了中間涂層鈦對SiC纖維增強的銅基復(fù)合材料界面強度的影響機理，發(fā)現(xiàn)中間層鈦與纖維表面C發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成TiC，增強了界面。

(1)影響界面強度的因素

影響界面強度的主要因素有界面反應(yīng)程度、界面熱殘余應(yīng)力、界面反應(yīng)物、Possion膨脹、纖維排布方式、制備工藝、纖維涂層性質(zhì)以及基體性能等因素。當界面層中存在阻擋界面反應(yīng)的產(chǎn)物時，界面強度升高程度減弱;Possion膨脹越大，復(fù)合材料受壓時，纖維承受的徑向壓力越大，從而界面強度越高;不同纖維排列方式導(dǎo)致復(fù)合材料界面產(chǎn)生不同殘余應(yīng)力，從而影響界面強度;不同制備工藝下，界面反應(yīng)嚴重程度不同，從而影響界面強度［48］。

(2)界面強度的測試方法

目前比較常用的測定界面強度的方法有拉拔法、頂出法、單根纖維破斷法、微脫粘法、微壓痕法等［49］。拉拔法是指先固定復(fù)合材料基體，然后沿著纖維軸向持續(xù)增加非常小的力拉伸纖維，當纖維剛好從拔出轉(zhuǎn)入斷裂時，記錄下纖維脫粘瞬間的力F，測出埋入纖維的長度L和纖維直徑d，然后由公式(1)計算纖維的脫粘力τ。

纖維頂出法是新近出現(xiàn)的測量復(fù)合材料界面強度的原位測試技術(shù)，已成功地運用于樹脂基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料。纖維頂出實驗曲線及示意圖如圖3所示。在纖維末端用圓柱壓頭將纖維從基體中頂出，記錄下載荷-位移曲線。從實驗曲線可以看出初始載荷隨位移呈線性增加，當載荷達到Pi，直線的斜率降低，表示此時界面開始脫粘。當載荷繼續(xù)增加到Pmax，表示界面剪切應(yīng)力達到最大值，界面完全脫粘，此后由于界面的阻力僅是摩擦力Pfr，載荷開始直線下降。由實驗曲線可以獲取2個重要的參數(shù)Pmax和Pfr。然后根據(jù)公式(1)計算出界面剪切強度τp和平均摩擦應(yīng)力τfr。

圖3 頂出法實驗示意圖(a)及典型頂出實驗曲線(b)Fig.3 Sketch of the push-out test(a)and typical push-out test curve(b)

對比拉拔法與頂出法可知，拉拔法原理簡單，但樣品制備技術(shù)復(fù)雜，當復(fù)合材料界面間黏結(jié)很強，纖維直徑很小，埋入的纖維長度必須非常短，否則纖維未拔出已斷裂。另外，纖維拔出實驗測量結(jié)果由于受纖維嵌入的長度、纖維外露長度測量準確度等因素影響，具有很大的分散性。纖維頂出實驗的試樣可以直接從實際復(fù)合材料中截取，所獲得的結(jié)果更接近真實界面剪切強度。

(3)界面強度的數(shù)值模擬技術(shù)

數(shù)值模擬技術(shù)評定界面強度主要用有限元法模擬纖維擠出或者拔出實驗，然后根據(jù)界面失效判據(jù)獲取界面剪切強度。在數(shù)值模擬計算界面剪切強度中，界面模型和界面失效準則選用非常關(guān)鍵。目前界面模型有彈簧單元模型、界面層模型、內(nèi)聚力模型等［50］。Nimmer［51］等基于有限元方法分析了界面黏結(jié)中殘余應(yīng)力對界面分離的影響，基于界面應(yīng)力和界面位移函數(shù)關(guān)系的黏結(jié)帶模型在弱界面黏結(jié)的復(fù)合材料細觀力學(xué)分析中取得了令人滿意的結(jié)果。

2.3 連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料性能研究

金屬基復(fù)合材料集合了基體合金和增強相兩者優(yōu)良的性能，存在質(zhì)輕、高強、耐高溫、塑性好等優(yōu)點。對復(fù)合材料力學(xué)性能的深入研究可以增進對其強化機理、失效機制的了解，為復(fù)合材料后續(xù)加工提供理論依據(jù)和實驗參考。

(1)蠕變性能

對于一般金屬材料而言，材料的內(nèi)部位錯滑移及攀移的難易程度決定了材料的高溫蠕變性能，而復(fù)合材料的蠕變原理有別于基體合金。復(fù)合材料蠕變強度的提高包括直接和間接的因素，直接強化可歸因于基體與增強相之間的載荷傳遞，通過這種載荷傳遞可導(dǎo)致基體中應(yīng)力的重新分布，并因此減小基體所承受的有效蠕變載荷。而間接強化則與增強纖維或制備工藝所引起的基體合金的微觀組織結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。在復(fù)合材料的間接強化中，潛在的組織因素主要包括位錯分布、時效速率、組織分解和基體合金成分變化等。另外金屬基復(fù)合材料的蠕變速率較沒有強化的基體合金小得多，蠕變激活能遠大于基體的自擴散激活能，表現(xiàn)出更高的抗蠕變能力。有研究［52］報道鎂基復(fù)合材料在新興高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力要高于傳統(tǒng)金屬材料和鋁基復(fù)合材料，但由于鎂基復(fù)合材料的抗高溫(溫度超過120℃)蠕變性能較差，限制了其應(yīng)用，因此鎂基復(fù)合材料的蠕變性能研究成為當前該領(lǐng)域的研究熱點。Sklenicka V等［53］人對Al2O3纖維/AZ91復(fù)合材料的蠕變性能和組織演化進行了研究。20%vol-Al2O3纖維/AZ91復(fù)合材料的抗蠕變性能高于AZ91合金，其最低蠕變速率比同條件下AZ91合金低3個數(shù)量級，基體與增強相間的載荷傳遞是該復(fù)合材料抗蠕變性能提高的主要原因。另外在較高溫度下使用的金屬基復(fù)合材料，如鈦、鎳基復(fù)合材料等的蠕變性能是其應(yīng)用研究的主要指標，因此也成為該類復(fù)合材料的研究熱點，Krishnamurthy［22］等人研究了熱處理工藝對SCS-6/Ti-22Al-23Nb(纖維體積分數(shù)為35%)蠕變性能的影響，發(fā)現(xiàn)熱處理可改善復(fù)合材料的蠕變性能，固溶溫度低于1160℃時，纖維涂層完好無損，復(fù)材縱向拉伸強度不受影響;當時效溫度處于O相形成溫度范圍內(nèi)時，O相體積分數(shù)的增大造成復(fù)材蠕變強度的增加。

(2)疲勞性能

根據(jù)德國科學(xué)基金會的BAM-DLR計劃對纖維增強金屬基復(fù)合材料的研究顯示，復(fù)合材料應(yīng)用的主要障礙是復(fù)雜的疲勞損傷問題。因此疲勞性能也成為復(fù)合材料眾多性能中的研究重點。目前主要從實驗研究、數(shù)值模擬和理論分析三方面對復(fù)合材料疲勞性能、疲勞斷裂機理、疲勞壽命等進行研究。Bettge［54］等人對SCS-6/Ti-6242復(fù)合材料及其基體的等溫和熱機械疲勞進行研究得出，該復(fù)合材料在100～550℃的疲勞強度均在1000MPa以上，并且低溫疲勞強度高于高溫狀態(tài)下的疲勞強度。通過疲勞顯微裂紋觀察得出，高溫狀態(tài)下疲勞裂紋的表面氧化是導(dǎo)致疲勞裂紋擴展的主要原因。自20世紀80年代以來，纖維增強金屬基復(fù)合材料熱機械疲勞模型得到了長足發(fā)展，從總體上可以分為基于細觀力學(xué)方法的軸向性質(zhì)模型和基于斷裂與損傷理論的橫向性質(zhì)模型［55］。

2.4 連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的成型與加工技術(shù)

2.4.1 塑性成型技術(shù)

連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料零件的預(yù)成型及后續(xù)精加工成本高昂，同時循環(huán)載荷下復(fù)合材料的損傷容限有限，均增加了復(fù)材零件的制造難度。因此復(fù)合材料新型的塑性成型技術(shù)已逐漸引起人們的關(guān)注。由于增強纖維的連續(xù)性和整體性導(dǎo)致了該類復(fù)合材料塑性變形的困難，目前連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的塑性成型方法有超塑性成型、蠕變鍛造、斷裂成型等。其中以超塑性成型研究較為深入［56］。通常超塑性成型時纖維/基體界面處可能出現(xiàn)的三種缺陷:變形時當界面應(yīng)力超過界面強度時可能出現(xiàn)由于纖維/基體界面分離引起的I型缺陷;由于纖維與基體的不完全結(jié)合而發(fā)生分離引起的Ⅱ型缺陷;Ⅲ型缺陷是兩個鄰近纖維之間的空間橋接引起的。日本的研究人員對SCS-6/SP-700鈦基復(fù)合材料的超塑性進行了研究，發(fā)現(xiàn):I型缺陷的存在與變形時最大流變應(yīng)力有很大關(guān)系，超過臨界應(yīng)力18MPa時，I型缺陷隨最大流變應(yīng)力的增大而快速增多;Crossman橫向蠕變變形模型可應(yīng)用于SCS-6/ SP-700的橫向超塑性變形;超塑性變形的SCS-6/ SP-700中形成空洞的臨界應(yīng)力可能取決于纖維/基體的界面強度。目前連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的塑性成型技術(shù)仍然處于初始階段，對成型過程中材料的變形特性、變形機理和變形缺陷等未能開展

深入系統(tǒng)的研究。

2.4.2 熱處理技術(shù)

連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的熱處理難度在于兼顧基體合金和增強纖維，使兩者及兩者界面性能達到最優(yōu)。復(fù)合材料熱處理制度的選擇對其應(yīng)用具有決定性作用。Krishnamurthy等［22］人研究發(fā)現(xiàn)熱處理可以改善復(fù)合材料橫向蠕變性能，對SCS-6/ Ti-22Al-23Nb(體積分數(shù)為35%)進行超轉(zhuǎn)變固溶處理時效后，材料的橫向蠕變性能得到改善，而縱向拉伸強度不受影響，原因是熱處理不會對纖維涂層產(chǎn)生負面影響，復(fù)合材料中O相體積分數(shù)的增大是造成抗蠕變能力提高的主要原因。

2.5 纖維體積分數(shù)及排布方式對復(fù)合材料性能的影響

纖維的體積分數(shù)和排布方式對復(fù)合材料的性能、殘余應(yīng)力、致密化等具有決定性作用。通常纖維增強復(fù)合材料的斷裂強度σo、彈性模量Eo與各組分材料性能關(guān)系為:

式中:σo和Eo分別為復(fù)合材料的強度和彈性模量;

σf和Ef分別為纖維的強度和彈性模量;

σm和Em分別為基體的強度和彈性模量;

Vf為纖維體積分數(shù);K1和K2為常數(shù)，主要與界面強度有關(guān)。

研究發(fā)現(xiàn)［57］復(fù)合材料的強度先隨著纖維體積分數(shù)的增大而減小，當超過某一體積分數(shù)后，復(fù)合材料的強度才開始增大。他們認為在纖維增強復(fù)合材料中存在一個最小的體積分數(shù)，當復(fù)合材料體積分數(shù)超過該值時，材料的斷裂由多重纖維斷裂方式向同時斷裂方式轉(zhuǎn)變。當體積分數(shù)低于該值時，復(fù)合材料的斷裂主要取決于基體，此時基體中纖維的存在就像許多小孔，隨著纖維體積分數(shù)的增加，這些小孔起著惡化復(fù)合材料性能的作用;當體積分數(shù)超過該值后，復(fù)合材料的斷裂主要取決于高強度、高彈性模量的纖維，復(fù)合材料的強度將超過基體的強度，達到強化基體的效果。

復(fù)合材料中常見的纖維排列方式有四方排列、四方對角排列和六方排列。利用有限元技術(shù)對纖維排列方式進行研究成為近年來的研究熱點［58］。Masaki Hojo［59］等利用有限元模擬技術(shù)對這三種排列方式的復(fù)合材料的界面正常應(yīng)力狀態(tài)(Interfacial normal stress)進行了研究，發(fā)現(xiàn)纖維排列方式對纖維一側(cè)界面徑向、軸向和周向殘余應(yīng)力均有較大的影響，其中纖維六方排列時界面殘余應(yīng)力沿周向分布均勻，且周向殘余應(yīng)力小，不易在界面形成徑向裂紋。

3 展望

經(jīng)過近幾十年的研究和發(fā)展，連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料在基礎(chǔ)理論、制備工藝、性能水平等方面有了很大的進步，部分材料得到了良好的應(yīng)用。連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料以其優(yōu)良的力學(xué)性能表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但是，與傳統(tǒng)的金屬材料相比，該種復(fù)合材料的研究水平和實際應(yīng)用相差甚遠。復(fù)合材料中的界面問題仍是其應(yīng)用的瓶頸之一，同時制備工藝與性能的不穩(wěn)定也制約其工業(yè)化應(yīng)用。鑒于此，今后連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料研究應(yīng)注重以下幾個方面。

(1)繼續(xù)深入對復(fù)合材料界面的研究。從纖維的表面改性、纖維與基體的相容性和潤濕性、界面反應(yīng)、界面強度等方面入手，解決界面薄弱性問題。

(2)優(yōu)化連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的制備工藝。創(chuàng)建工藝可行性評估體系，加強工藝理論研究，將制備過程與計算機模擬技術(shù)有機結(jié)合，縮短研制周期，降低制備成本，推動其工程化應(yīng)用。

(3)完善復(fù)合材料的損傷評價體系。針對纖維的斷裂、纖維/基體的分離、纖維的滑動和拔出、基體裂紋等復(fù)合材料失效表觀，重點研究裂紋形核、裂紋擴展、斷裂機理和壽命預(yù)測，為復(fù)合材料的實際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

(4)拓展連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的成型和加工技術(shù)。減少成型和加工過程中復(fù)合材料的損傷，確保零件質(zhì)量，降低零件的制造成本，為其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

(5)開展連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料的質(zhì)量過程控制技術(shù)研究。從產(chǎn)品質(zhì)量保證工藝設(shè)計、產(chǎn)品質(zhì)量信息采集、質(zhì)量信息數(shù)據(jù)后續(xù)處理、現(xiàn)場加工制造過程等方面完善批量產(chǎn)品加工質(zhì)量過程控制技術(shù)。

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