碳纖維增強鋁基復合材料及其構件的空間環境特性

武高輝，張云鶴，陳國欽，修子揚，姜龍濤，茍華松

（1.哈爾濱工業大學金屬復合材料與工程研究所，哈爾濱150001；2.東北林業大學機電工程學院，哈爾濱150040）

1 引言

金屬基復合材料（Metal Matrix Composite，MMC）是以金屬為基體，與一種或幾種金屬或非金屬增強相人工合成的材料。它與聚合物基復合材料、陶瓷基復合材料以及碳/碳復合材料一起構成現代復合材料體系。目前對鋁基、鎂基、銅基、鈦基等金屬復合材料研究較多，其中鋁基復合材料的研究和應用最為廣泛。金屬基復合材料品種繁多，按增強體類型還可分為連續纖維增強和非連續增強兩大類，非連續增強包括顆粒增強、晶須增強、短纖維增強等。與樹脂基復合材料相比，金屬基復合材料具備耐熱性、耐輻照、不氣化、不老化、導熱、導電等特性，在導彈、電氣機械、火箭推進系統、運載火箭結構和航天飛機等方面有廣泛應用前景[1-2]。在現今的各類材料中，碳纖維增強鋁基復合材料（Cf/Al）具有高比強度、高比剛度、低熱膨脹、良好的尺寸穩定性等優異的性能，倍受航空航天部門的廣泛關注[3-7]。國外已有在衛星波導管、天線骨架、衛星桁架等對重量、強度、剛度要求很高的航天、航空部件應用的報導[8]。

Cf/Al復合材料的空間應用首先要突破Cf與Al的界面反應問題Cf/Al復合材料高品質制備技術問題、Cf/Al復合材料復雜形狀薄壁構件成型問題等技術障礙。作者發明了Cf/Al復合材料還原氣氛—快速壓力浸滲制備技術[9]，有效地抑制了碳纖維高溫損傷、碳纖維和鋁合金界面不良反應等問題，成功制備出高致密、高剛度、空間耐候性能好的航天用碳纖維增強鋁復合材料。發明了復雜薄壁構件的一次成型方法[10]，低成本地制備出變直徑回轉體構件、變截面多法蘭復雜構件、熱膨脹可設計、高尺寸穩定性的光學構件。

本文綜述了Cf/Al復合材料面向空間應用的基礎性能的研究成果，包括Cf/Al復合材料的組織、常溫力學性能、熱膨脹性能、尺寸穩定性以及在空間輻照環境下的力學性能，以及Cf/Al復合材料的結構件的力學性能特點。

2 Cf/Al復合材料的顯微組織

圖1給出了采用壓力浸滲專利技術制備的Cf/Al復合材料（單向增強）的金相顯微組織，從中可以看出碳纖維在鋁基體中分布均勻，纖維和基體結合良好，復合材料無孔隙等缺陷。這種組織特點將使纖維均勻承載，同時基體會將載荷有效地傳遞給纖維，從而得到較理想的性能。

圖1 Cf/Al復合材料金相組織

3 Cf/Al復合材料的比強度和比模量

Cf/Al復合材料是一種輕質高強的材料。采用壓力浸滲法制備的Cf/Al復合材料的密度為2.1g/cm3～2.2g/cm3，比鈦合金輕一倍。高強度是Cf/Al復合材料的最重要的性能特點之一，單向材料的彎曲強度達到1400MPa以上，拉伸強度為973MPa，模量為230GPa。

圖2列出了先進復合材料與其他傳統材料的比強度和比模量的對比。可見，Cf/Al的比強度最高，達到667 MPa·cm3/g，是鋼的6倍，為鈦合金和鋁合金的 3～3.5 倍。比模量達 110 GPa·cm3/g，是鋼、鋁合金和鈦合金的3倍以上，而與其它復合材料相比也要高出1倍以上。Cf/Al復合材料這種優異的輕質高強的材料特性為航天結構輕量化、高精度提供重要的技術保障。

圖2 傳統航天材料和Cf/Al復合材料的比強度（a）和比模量（b）

4 Cf/Al復合材料熱膨脹性能

不同種類的碳纖維沿著纖維方向的膨脹特性有所不同，通常用于金屬基復合材料的碳纖維具有負膨脹特性，因此Cf/Al復合材料可以獲得較低的熱膨脹系數。本文所述的體積分數為55%的單向增強Cf/Al復合材料在纖維方向上的熱膨脹系數為（0～2）×10-6℃-1，（20℃～490℃），垂直纖維方向上為（17.05～20.25）×10-6℃-1，（20℃～490℃）。對于大型光學系統構件和雷達天線等元件，熱膨脹是最重要的性能之一，因此它是制造這類構件的理想材料。同時由于材料的熱膨脹系數具有各向異性，可以通過材料設計獲得不同方向不同熱膨脹系數的構件。

圖3 Cf/Al復合材料的熱膨脹系數

圖4 Cf/Al在-20℃～60℃交替變化條件下的尺寸變化

5 Cf/Al復合材料的尺寸穩定性

Cf/Al復合材料具有良好的尺寸穩定性，圖4為用冷熱沖擊法對Cf/Al進行檢測后的試驗結果，可以看出：縱向尺寸相對變化小于4×10-6，橫向尺寸相對變化小于12×10-6。隨著冷熱循環次數的增加，尺寸變化趨于恒值，說明Cf/Al復合材料具有優異的尺寸穩定性。

6 Cf/Al復合材料的空間環境耐候性

復合材料在空間飛行中要經受如超高真空度、高低溫交變沖擊、帶電粒子照、紫外輻照等環境的損傷，開展空間環境條件對復合材料性能影響的分析對航天結構設計，充分發揮復合材料的優異性能具有十分重要的現實意義。本文研究了空間環境條件下的高真空、粒子輻照、溫度等因素對Cf/Al復合材料的性能影響規律。

6.1 高真空環境下的材料行為

通常的材料在高真空度下會有逸氣的特性，材料的逸氣一方面會造成材料質量損失、強度下降，還容易造成儀器的污染，因此，真空下的逸氣性能是材料空間應用性能的基礎特性。

對Cf/Al復合材料的真空逸氣性測試，試驗結果如表1，作為對比，對樹脂基復合材料也進行了測試。結果表明，Cf/Al復合材料的總質量損失為0.06%，水蒸氣回收量≤0.01%，收集到的可凝揮發物≤0.02%，均超過航天工業部標準QJ1558－88的要求。相比之下，聚合物復合材料的質量損失和可凝揮發物較多，有機材料的逸氣產物包括水，吸附性氣體，溶劑，低分子量添加劑等，可凝揮發物過多有可能造成空間環境污染。

表1 真空中Cf/Al復合材料揮發性能

6.2 帶電粒子輻照條件下的材料行為

Cf/Al復合材料在空間條件下，性能穩定。本文對Cf/Al復合材料的在帶電粒子輻照條件下的行為進行了研究，圖5為對復合材料帶電粒子輻照（輻照源：60Co源；輻照劑量：3000Gy）前后的性能對比，發現輻照后的材料性能變化很小，在測試誤差之內。

圖5 帶電粒子輻照對Cf/Al復合材料彎曲強度的影響

6.3 高低溫環境下的材料強度

在低軌道中，由于地球自轉，航天器不斷經受太陽直射和處于太陽陰影里，對航天器造成冷熱交變的環境。本文對Cf/Al復合材料分別在-40℃，20℃和100℃溫度下拉伸強度和彈性模量進行了測試，結果如表2，試驗證明，復合材料的性能在-40℃～100℃溫度范圍內變化不大，強度變化范圍在±5%以內，彈性模量變化范圍在±3%以內。

表2 Cf/Al復合材料在不同溫度下的拉伸強度和彈性模量

7 Cf/Al復合材料結構件的成型技術及強度、剛度特性

由于纖維增強復合材料具有各項異性的特性，材料性能不能直接表征為構件的性能，對于纖維增強金屬基復合材料構件性能的仿真尚沒有合適的計算方法，目前考察結構件的性能還必須采用實體測試的手段進行驗證。作者采用壓力浸滲法制備了變直徑的圓筒狀復合材料艙體，纖維排布方向與艙體軸向呈 30°～45°，艙體為薄壁結構（壁厚為 2mm），與相同結構的壁厚為4mm鎂合金艙體進行了靜力試驗對比。圖6為在相同側向彎曲載荷下復合材料艙體和鎂合金艙體的變形情況，可以看出鎂合金艙體的最大變形為3.2mm，而復合材料艙體的最大變形為0.9mm，復合材料艙體的結構剛度是鎂合金艙體的3倍。圖7為艙體的軸向壓縮試驗結果，試驗表明，復合材料艙體軸向壓縮強度是鎂合金艙體的2倍。

圖6 側向載荷下艙體結構的變形

圖7 Cf/Al復合材料結構與鑄鎂結構的軸向壓縮強度

8 結束語

碳纖維增強鋁基復合材料在航天領域作為高強度高剛度材料已顯示出巨大的應用潛力[11-13]。隨著我國在碳纖維與鋁的界面反應控制、高致密制備、復雜薄壁構件成型等多項技術難題的解決，Cf/Al復合材料已經顯示出在空間光學構件、衛星構件、航天器艙體、艙外航天器、力傳動軸等對重量、強度、剛度、空間穩定性要求高的航天結構件上的應用前景，對新一代航天器小型化、輕量化、高精度、高可靠性的總體目標要求將產生巨大的技術保障作用。 ◇

［1］張國定，王敏，吳人潔.碳-鋁復合材料低應力破壞原因探討［J］.航空學報，1987，8（1）:83-91.

［2］武高輝，張云鶴，康鵬超.Cf+SiCp/Al復合材料的微觀組織與力學性能［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36（增刊 3）:328-330.

［3］吳人潔.金屬基復合材料的現狀與展望［J］.金屬學報，1997，33（1）:78-84.

［4］王浩偉，商寶祿，周堯和.液相法制造C/Al復合材料［J］.航空學報，1993，14（8）:435-438.

［5］Zhang YH，Wu GH，Chen GQ，etal.Microstructure and mechanical properties of 2D woven Grf/Al composite ［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2006，16（special 3）:1509-1512.

［6］李華倫，商寶祿，毛志英，等.鑄造碳纖維增強鋁基復合材料［J］.航空學報，1991，12（12）:565-569.

［7］ Eliosson J， Somclstrom R.Applications of Aluminum Matrix Composites［J］.Key.Eng.Mater.1995，104-107（Part I）:30-36.

［8］Daoud，A.Microstructure and tensile properties of 2014 Al alloy reinforced with continuous carbon fibers manufactured by gas pressure infiltration.Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing，2005.391（1-2）:114-120.

［9］武高輝.一種亞微米級陶瓷顆粒與鋁合金的復合工藝.ZL94117266.X.

［10］武高輝，陳國欽，修子揚，等.一種纖維增強輕金屬復合材料構件的成型方法.ZL200510134838.0.

［11］王倩，高建國，馬偉民.金屬基復合材料的發展與應用［J］.沈陽大學學報，2007，19（2）:10-15.

［12］陳國欽，姜龍濤，朱曄，等.高比強度、高比模量復合材料的性能及應用［C］.衛星的結構與機構會議論文集，北京：2002：8.

［13］Cheng H M，Kitahara A，Akiyama S，et al.Characteristics of several carbon fibre-reinforced aluminium composites prepared by a hybridization method［J］.Journal of materials science，1994，29:4342-4350.