連續(xù)碳纖維增強(qiáng)Al基復(fù)合材料及其趨勢(shì)發(fā)展

鄭瑩瑩

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程系，鎮(zhèn)江 212134）

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料），具有比強(qiáng)度和比模量高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航天衛(wèi)星、飛機(jī)羽翼、導(dǎo)彈外殼等領(lǐng)域[1-2]。連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料目前存在高性能纖維強(qiáng)化密度小、韌性差、低成本-大尺寸制備工藝不穩(wěn)定等缺陷，制約了其進(jìn)一步作為民用結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行應(yīng)用，再加上金屬液相/碳纖維界面潤(rùn)濕性差，科研工作者進(jìn)行了大量的研究工作。連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料一般采用連續(xù)性碳纖維增強(qiáng)，通常采用擠壓鑄造法[3]、真空壓力浸滲法[4]等方法將纖維摻雜到熔融金屬液相中，均勻混漿后制成復(fù)合材料。然而，氣孔缺陷、界面潤(rùn)濕性以及不均勻性一直是技術(shù)難題，迫切需要解決。

連續(xù)性碳纖維對(duì)金屬或樹脂的強(qiáng)化作用，主要作用于Z向拉伸強(qiáng)度和抗形變等方面。Z向增強(qiáng)技術(shù)主要包括三維編織、Z-pin和縫合技術(shù)，可以有效提高復(fù)合材料的層間斷裂韌性。林磊[5]將纖維相互編織成三維立體架構(gòu)，作為堅(jiān)強(qiáng)的骨架增強(qiáng)鋁合金熔體，制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。藺春發(fā)等[6]探討了連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al系金屬間化合物基復(fù)合材料的制備和界面行為，綜合采用纖維表面涂層、基體合金化和降低制備溫度、縮短高溫區(qū)間的保溫時(shí)間，減少了對(duì)纖維的反應(yīng)損傷。通過(guò)中間涂層緩解碳纖維與Ti-Al金屬間化合物的熱膨脹系數(shù)差異，降低基體與纖維熱膨脹系數(shù)的不匹配性等問(wèn)題。NEUBAUER等[7]采用擠壓鑄造-浸滲工藝制備體積分?jǐn)?shù)為20%～25%的碳預(yù)制件增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，適用于在關(guān)鍵區(qū)域采用選擇性強(qiáng)化的鑄件制造。SEM斷口分析表明，擠壓鑄造浸滲工藝可以獲得更好的潤(rùn)濕性和纖維/基體之間的界面結(jié)合。

為使鋁液與纖維有較好的潤(rùn)濕性，需在纖維表面化學(xué)鍍Ni或Cu等預(yù)處理，以實(shí)現(xiàn)纖維與金屬液相之間的界面潤(rùn)濕（簡(jiǎn)稱濕熱效應(yīng)）。然而，碳纖維外層會(huì)殘留有機(jī)環(huán)氧膠，直接影響金屬鍍層與碳纖維表面的結(jié)合強(qiáng)度。鑒于此，對(duì)連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料的工藝方法進(jìn)行了分析，綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，概述了碳纖維與金屬之間的界面行為及解決方法，并對(duì)連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料的發(fā)展及航天應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 連續(xù)Cf纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

1.1 連續(xù)Cf/樹脂基復(fù)合材料

常見(jiàn)碳纖維復(fù)合材料包括碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）、碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料（C/C）、碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材（CFRM）以及碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（CFRC）等，其中CFRP材料具質(zhì)輕高強(qiáng)、設(shè)計(jì)自由度大、可一體化成型等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍最廣，是航空航天等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化的關(guān)鍵材料之一。CFRP材料中基體樹脂分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂，常用的熱固性樹脂包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和雙馬來(lái)酰亞胺樹脂等。相對(duì)于熱塑性樹脂，連續(xù)Cf/熱固性樹脂復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度等靜態(tài)性能更好，應(yīng)用更加廣泛。在商用飛機(jī)制造中，空客A350 XWB中采用CFRP總量達(dá)到了53%，波音787的CFRP用量達(dá)到了50%。

CFRP材料大多由單向預(yù)浸料或編織預(yù)浸料，按一定的鋪放設(shè)計(jì)要求，疊合成預(yù)期的厚度和形狀。經(jīng)加熱，樹脂固化將各層粘接為整體而制成。樹脂基復(fù)合材料的一個(gè)突出特點(diǎn)是具有優(yōu)良的抗疲勞性，然而如何抑制層合板分層損傷一直是復(fù)合材料研究的重要課題之一。

1.2 連續(xù)Cf/金屬基復(fù)合材料

由于具有比強(qiáng)度和比模量高、熱膨脹系數(shù)低、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特性，連續(xù)Cf/金屬基復(fù)合材料在過(guò)去30多年中一直備受航天領(lǐng)域青睞。航空航天工業(yè)需要減輕太空推進(jìn)系統(tǒng)和航天結(jié)構(gòu)重量，金屬基復(fù)合材料具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。例如，Cf/Mg復(fù)合材料制作衛(wèi)星桁架結(jié)構(gòu)、空間動(dòng)力回收系統(tǒng)構(gòu)件、空間站撐桿以及空間反射鏡架等。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的部分構(gòu)件采用Cf/Mg復(fù)合材料，包括航天器軌道器的結(jié)構(gòu)件、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的天線波導(dǎo)竿以及通信衛(wèi)星裝置中的熱管道。常見(jiàn)金屬合金與復(fù)合材料力學(xué)性能比較如圖1所示，圖中數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)報(bào)告，其中Gr為石墨纖維。

連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料中，碳纖維作為增強(qiáng)體，賦予其高的比強(qiáng)度、比模量和優(yōu)異的耐熱性能。在250 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度仍能保持其室溫抗拉強(qiáng)度的81%，其疲勞強(qiáng)度比鋁合金高約40%。連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料常采用熱壓擴(kuò)散粘結(jié)法，其他制備工藝及應(yīng)用列于表1。

表1 幾種連續(xù)Cf增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料合成工藝及應(yīng)用

2 連續(xù)碳纖維表面金屬化

實(shí)驗(yàn)表明，碳纖維與Al基的界面不潤(rùn)濕，不利于形成冶金結(jié)合界面。為避免外界活性氧的卷入Al基金屬中，目前采用的液態(tài)法制造工藝一般壓強(qiáng)很高，為3～100 MPa，但高壓鑄造易損傷碳纖維。此外，采用熔體滲入工藝，必須在1 000 ℃以上時(shí)Al才能潤(rùn)濕碳纖維，但此時(shí)碳纖維與鋁基易生成脆性化合物（Al4C3等），破壞了碳纖維的強(qiáng)度與韌性。為解決潤(rùn)濕性與高溫冶金反應(yīng)之間的矛盾，一般采用表面改性的方法，如電化學(xué)鍍層或氣相沉積的方法在表面制備一層鍍層作為過(guò)渡層來(lái)避免不利的界面冶金反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)提高潤(rùn)濕性。

Cu涂層由于化學(xué)性穩(wěn)定和延展性好等特點(diǎn)，常用于碳纖維的表面涂層。在高溫條件下，鍍Cu碳纖維具有很好的相容性。研究指出：鍍Cu碳纖維在800 ℃以上時(shí)，強(qiáng)度才略有下降。采用化學(xué)鍍Cu后的纖維表面及截面形貌圖，如圖2所示[1,8]。

Ni涂層具有耐腐蝕和抗高溫性能，被用于碳纖維表面涂層、電磁波吸收材料和電容器材料。采用置換沉淀、化學(xué)鍍、電鍍等方法在碳纖維表面鍍鎳，鎳層的存在可阻止熔鋁直接與纖維接觸，但鎳向碳纖維的擴(kuò)散會(huì)損害纖維并導(dǎo)致石墨化。NiAl3的形成可降低基體與纖維之間的粘接力，易引起材料的脆化。為控制鎳的擴(kuò)散，鎳層應(yīng)有一定的厚度，但從防止脆性破壞和提高界面結(jié)合力角度，涂層越薄越好。綜上分析，Ni涂層可以改善Al對(duì)碳纖維表面的潤(rùn)濕性，但作為單涂層使用，并不是理想的涂層。

非金屬涂層中，Ti-B涂層可提高碳纖維與鋁的潤(rùn)濕性，并減少Al4C3脆相的形成。在900 ℃和10-7Torr的真空條件下，潤(rùn)濕角降低至37°，整個(gè)過(guò)程須在惰性Ar氣氛中進(jìn)行，以有效阻止碳纖維和鋁之間的反應(yīng)。Ti-陶瓷涂層能阻擋界面反應(yīng)，但不能顯著提高碳纖維和鋁的潤(rùn)濕性。歷年來(lái)，發(fā)展新的纖維的同時(shí)提出了許多表面處理技術(shù)，以促進(jìn)金屬液相與纖維界面潤(rùn)濕和界面冶金結(jié)合。常見(jiàn)的表面改性技術(shù)，如表2所示。

表2 連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料中纖維表面金屬化涂層種類

3 界面行為研究

纖維和基體之間的界面粘結(jié)性是影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的重要因素之一。在使用金屬涂層時(shí)，除涂層本身能阻止纖維與基體的反應(yīng)（減少M(fèi)3C4脆化相出現(xiàn)）和提高潤(rùn)濕性外，同時(shí)需要促使界面有一定的結(jié)合力。以連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料為例，鋁液高溫下浸滲碳纖維時(shí)，在界面上生成Al4C3脆性相。對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，在不損傷纖維的前提下，較強(qiáng)的界面反應(yīng)對(duì)材料的性能有利塑性加工將對(duì)界面的性能產(chǎn)生重要影響。其主要的涂層技術(shù)為化學(xué)氣相沉積法（CVD）、物理氣相沉積（PVD）、溶膠-凝膠法、化學(xué)鍍法、溶液法以及電鍍法等。BOCCACCINI等[9]借助離子電泳的方法（Electrophoretic Deposition）在碳纖維上沉積Ni鍍層，如圖3所示[9]，有利于潤(rùn)濕性和界面粘結(jié)強(qiáng)度的顯著增強(qiáng)。

4 連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

制備Cf/Al復(fù)合材料時(shí)，鋁合金基材主要選用Al-Mg-Si系和Al-Cu-Mg系等可熱處理強(qiáng)化的合金。最新應(yīng)用的防銹鋁LF6屬于鎂含量高的Al-Mg合金，可焊性強(qiáng)，經(jīng)冷變形后可提高其強(qiáng)度，適于制造中載構(gòu)件。目前國(guó)內(nèi)已具備生產(chǎn)高模量的碳纖維，促進(jìn)了碳纖維增強(qiáng)鋁合金材料（CFALL）的工業(yè)化生產(chǎn)。玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層壓材料（GLALL）也在研制過(guò)程中，由于成本較低，具有一定的應(yīng)用前景。用Cf/Al復(fù)合材料制成的導(dǎo)航系統(tǒng)，有效提高了精度。航天天線和衛(wèi)星拋物面天線骨架，可在較大溫度范圍內(nèi)保持其尺寸穩(wěn)定，使衛(wèi)星拋物面天線的增益效率提高4倍。

然而，碳纖維表面微裂紋開裂、高強(qiáng)度動(dòng)載荷下的疲勞斷裂以及與金屬基體的潤(rùn)濕與界面結(jié)合等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步發(fā)展。因此，探索碳纖維表面改性方法，對(duì)碳纖維增強(qiáng)金屬基體復(fù)合材料成型尤為重要。

5 結(jié)論與展望

經(jīng)過(guò)40多年的研究摸索，無(wú)論是制備方法、性能工藝，還是工程應(yīng)用，連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料都相當(dāng)成熟。然而，低成本、大體積替代傳統(tǒng)的金屬材料，應(yīng)用的維度和深度遠(yuǎn)不及期望，需要從材料選擇、制造成本和工藝流程簡(jiǎn)化等方面繼續(xù)展開探究。

目前，大多數(shù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料均已被詳細(xì)報(bào)道，然而對(duì)高溫合金Ni基和航空Ti基研究較少。今后一段時(shí)間的研究方向有必要向高性能的金屬基轉(zhuǎn)變，同時(shí)纖維表面金屬化的工藝較為煩瑣，一步快捷法的纖維表面官能化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于金屬基復(fù)合材料研究及如何經(jīng)濟(jì)地開展產(chǎn)業(yè)化，距離規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用尚有差距。同時(shí)，探尋新的制備工藝，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，從理論上指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。

連續(xù)Cf/Al復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料中研究較多、應(yīng)用較廣的復(fù)合材料之一，是制造航空航天構(gòu)件的理想材料。

（1）工藝上，厘清材料的本質(zhì)屬性、使用特性和生命周期可負(fù)擔(dān)能力，材料必須與創(chuàng)新設(shè)計(jì)同步，與制造系統(tǒng)方法一致。然而，由于系統(tǒng)拉動(dòng)和資源匱乏，很難超越技術(shù)和成本的障礙。涂層方面須繼續(xù)合適種類的涂層及簡(jiǎn)潔制備工藝，如應(yīng)用3D打印技術(shù)制備Cf/Al復(fù)合材料已成為目前研究熱點(diǎn)。綠色發(fā)展方面須關(guān)注碳纖維的回收再利用問(wèn)題。

（2）失效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)合材料的界面問(wèn)題、制備工藝與性能的不穩(wěn)定，嚴(yán)重制約其工業(yè)化應(yīng)用。鑒于此，需進(jìn)一步提高材料的性能，降低制造成本，加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，推出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。例如，針對(duì)纖維的斷裂、纖維的滑動(dòng)和拔出、基體裂紋等復(fù)合材料失效表觀，重點(diǎn)研究裂紋形核、裂紋擴(kuò)展、斷裂機(jī)理和壽命預(yù)測(cè)，完成復(fù)合材料損傷評(píng)價(jià)體系，為復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。