金屬?gòu)?fù)合材料概述

蘇曉瞳

（遼陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 遼陽(yáng) 111004）

新型的民用飛機(jī)和舊型飛機(jī)有很大區(qū)別。特點(diǎn)就是復(fù)合材料被大量并且非常大面積的應(yīng)用到了飛機(jī)各個(gè)部分上。通過(guò)查閱了大量的資料和文獻(xiàn)，我們不難發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展的非常的迅速了，它不僅被應(yīng)用在主承力結(jié)構(gòu)而且還應(yīng)用在復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)上。其中復(fù)合材料用量從4%逐漸變成了50%。復(fù)合材料在空客A350上的大量使用就是一個(gè)很有代表性的例子。復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)材料有其自身的優(yōu)勢(shì)：能夠減輕質(zhì)量，還能延長(zhǎng)使用的壽命，降低維修成本，還能夠讓機(jī)艙內(nèi)的濕度變得很高等等，這將來(lái)都將成為一種流行趨勢(shì)。

1 國(guó)際復(fù)合材料應(yīng)用情況

我們從國(guó)際上看，在20世紀(jì)90年代一直到現(xiàn)在很多國(guó)家都已經(jīng)進(jìn)軍復(fù)合材料這個(gè)領(lǐng)域了，它們已經(jīng)發(fā)起很多的研究。目的是想要通過(guò)把材料進(jìn)行改變后把成本降低，同時(shí)加強(qiáng)工藝和優(yōu)勢(shì)。例如，在軍事制造業(yè)方面。在美國(guó)，正在研究低成本的復(fù)合材料計(jì)劃簡(jiǎn)稱CAI。目的就是把航空的材料成本降到最低，目前因?yàn)閺?fù)合材料的使用，成本可以降低50%，實(shí)施的對(duì)象是F35戰(zhàn)斗機(jī)并取得了成功。不僅僅是美國(guó)，整個(gè)歐洲的空中客車集團(tuán)包括法、英等39個(gè)國(guó)家聯(lián)合制定了TANGO計(jì)劃，目的就是改變機(jī)身結(jié)構(gòu)的性能，使之可以大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)及實(shí)踐。這一計(jì)劃始于2000年4月1日,目標(biāo)是減重20%,降低成本20%,總預(yù)算為8491萬(wàn)歐元[1]國(guó)外研究的重心一般都會(huì)放在軍用飛機(jī)還有戰(zhàn)斗機(jī)上，如在1990年美國(guó)已經(jīng)率先研究出F-22，它的復(fù)合材料是樹(shù)脂基的而且用量已經(jīng)高達(dá)25%，它應(yīng)用的范圍也是非常的廣泛有機(jī)翼蒙皮、框梁壁板等。成型工藝技術(shù)也十分的高端[2]。除此之外俄羅斯也已經(jīng)研制出S-37戰(zhàn)斗機(jī)名叫“金雕”，它也是運(yùn)用了復(fù)合材料使得承重量增加了很多，使用年限也是增加了幾倍，同時(shí)成本也降低了很多超過(guò)一半。同時(shí)又能滿足降低紅外熱輻射和雷達(dá)反射截面的隱身要求,大大改進(jìn)了飛機(jī)的綜合作戰(zhàn)性能。隨著時(shí)間推移法德一起合作研究出了PAH-2Tiger武裝直升機(jī)，它的復(fù)合材料用量更多，應(yīng)用的部位也是更加的廣泛，甚至到了垂尾。美國(guó)最新研制的輕型偵察攻擊直升機(jī)RAH-66,具有隱身能力,復(fù)合材料用量更是高達(dá)機(jī)身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的51%左右。綜上所述美國(guó)在復(fù)合材料的使用上是高于其他各國(guó)的。

以上所闡述的都是復(fù)合材料在軍事上的應(yīng)用，相比于軍用，復(fù)合材料在民航領(lǐng)域的應(yīng)用起步還是相對(duì)較晚的，是從20世紀(jì)40年代開(kāi)始的。法國(guó)利用了GFRP透波性好的特點(diǎn)來(lái)制造機(jī)載雷達(dá)罩。之后美國(guó)研制出了第一架全塑飛機(jī)，并已經(jīng)成功升天。它用GFRP制作了飛機(jī)的大部分的零件。這一技術(shù)讓飛機(jī)的質(zhì)量降低了很多，因此飛機(jī)的承載力變大了。法國(guó)和意大利聯(lián)合研究出ATR-72客機(jī)，其中符合材料的應(yīng)用量已經(jīng)達(dá)到20%，達(dá)到了軍事飛機(jī)的使用量的水平，它主要應(yīng)用在機(jī)翼部分，還不是特別的廣泛。歐洲的A-300空中客車系列已經(jīng)發(fā)展很多年了，從1970年開(kāi)始就已經(jīng)利用復(fù)合材料了只是3%，經(jīng)過(guò)30年后用量已經(jīng)增加到20%左右。現(xiàn)在最新的A380飛機(jī)在復(fù)合材料的用量又增加了兩個(gè)百分點(diǎn)。以上可以看出復(fù)合材料使用的比例逐年增加。美國(guó)研究的B-7E7飛機(jī)上的用量已經(jīng)高達(dá)50%。這已經(jīng)是創(chuàng)紀(jì)錄了。幾乎主要的結(jié)構(gòu)都可以看見(jiàn)復(fù)合材料的蹤跡[3]。

2 國(guó)內(nèi)復(fù)合材料應(yīng)用情況

中國(guó)航空方面對(duì)復(fù)合材料的研究起步相對(duì)要晚一些，雖然中國(guó)航天方面已經(jīng)形成了自己的體系，但在復(fù)合材料應(yīng)用的方面與國(guó)外的應(yīng)用情況還是有一定的差距的，因此我們可能有很多材料是需要依賴國(guó)外進(jìn)口的方式才能夠應(yīng)用到我們自己國(guó)家的飛機(jī)上，這也很大的影響了我們中國(guó)航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，加大了我們的制造成本。因此我國(guó)對(duì)航天制造技術(shù)越來(lái)越重視也加大了投入，培養(yǎng)各類人才提高他們的制造技術(shù)，包括總體布局設(shè)計(jì)、選材以及制造一體化系統(tǒng)。

復(fù)合材料有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)，由于我們所研制的是全新的材料，也是全新的生產(chǎn)工藝，結(jié)構(gòu)和技術(shù)也同樣是全新的，沒(méi)有前人的引領(lǐng)有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。我們過(guò)度地相信這種全新的材料，波音B787研制過(guò)程中遇到了前所未有的難題，在機(jī)身整體成型上浪費(fèi)了很多時(shí)間。因此，我國(guó)在研制大飛機(jī)時(shí)不要盲目的照搬照抄，在大量引進(jìn)新材料和新工藝，應(yīng)該根據(jù)自己的實(shí)際情況不盲從，一步一步的研發(fā)。這就要求研發(fā)的工作人員應(yīng)該吸取教訓(xùn)，我們不能只是單純地考慮這個(gè)飛機(jī)制造材料有多么的先進(jìn)，雖然有優(yōu)點(diǎn)但不能只注重優(yōu)點(diǎn)，要根據(jù)我們自身看是否能駕馭得了這些優(yōu)點(diǎn)，我們能否擁有那么高超純熟的技術(shù)去利用這個(gè)材料?？罩锌蛙嚬驹瓉?lái)的A350設(shè)計(jì)方案是在A330設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上修改而成，計(jì)劃?rùn)C(jī)體復(fù)合材料用量?jī)H為35wt%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于波音B787。2005年，迫于在客戶的抱怨和外界的壓力，處于困境之中的空客A350不得不重新修改設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)兩年之久，歷經(jīng)推翻確定在推翻在確定。A350客機(jī)的最終設(shè)計(jì)方案才宣告確定。但是由于設(shè)計(jì)方案的改變以及由此帶來(lái)的制造技術(shù)問(wèn)題，造成了時(shí)間和金錢(qián)的嚴(yán)重浪費(fèi)。A350客機(jī)的研制計(jì)劃不得不推遲整整3年，研制費(fèi)用達(dá)到100億歐元，是之前計(jì)劃的2倍。

3 金屬?gòu)?fù)合材料的應(yīng)用研究

（1）熱雙金屬。熱雙金屬是由二層膨脹系數(shù)不同的合金沿層間接觸面結(jié)合在一起的復(fù)合材料。高膨脹系數(shù)的合金層稱主動(dòng)層，低膨脹系數(shù)的合金稱被動(dòng)層。在加熱時(shí)，由于兩層的膨脹系數(shù)不同，主動(dòng)層伸長(zhǎng)得多，于是金屬片就向被動(dòng)層彎曲，這樣就可以把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，產(chǎn)生一定的力和位移。因此可作用測(cè)量或者控制儀表的傳觀元件。為了消除雙金屬在加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，需根據(jù)牌號(hào)信息的不同選擇不同的穩(wěn)定化熱處理工藝。采用熱軋結(jié)合法產(chǎn)生R系列熱雙金屬，與其他方法相比，提高比成材率和產(chǎn)生率，降低成本。

（2）符合框架材料。金屬符合材料生產(chǎn)工藝大致分為三步：組員金屬預(yù)處理，金屬壓縮變形和擴(kuò)散熱處理。首先將銅帶和鋁條分為用鋼絲拋光，去除表面氧化層，直到露出新鮮的金屬表面，而后采用四錕冷軋機(jī)進(jìn)行室溫下固相結(jié)合，為了保證鋁條按設(shè)計(jì)要求局部地復(fù)在銅帶上，用特制導(dǎo)衛(wèi)裝置控制鋁條走向，一次冷軋壓下率達(dá)到70%左右，在張力下冷軋，固相結(jié)合的復(fù)合帶材胚料去油后，立即在真空下進(jìn)行450oC，3h擴(kuò)散退火，在冷至成品。

4 復(fù)合材料研究新進(jìn)展

復(fù)合金屬材料在汽車中用于結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)部件仍處于飛速發(fā)展中。在金屬?gòu)?fù)合材料市場(chǎng)上，大約有35種汽車部件的制備已經(jīng)采用此生產(chǎn)材料。當(dāng)前有兩種方法可以生產(chǎn)納米顆粒彌散強(qiáng)化的大塊非晶態(tài)合金符合材料。采用銅模鑄造方法能夠制得含有納米顆粒的分散強(qiáng)化的非晶合金基復(fù)材料，這種合金溶體在凝固時(shí)形成納米和微米尺寸的磷化物顆粒均勻分散于非晶體中。

5 結(jié)語(yǔ)

金屬?gòu)?fù)合材料的“相補(bǔ)效應(yīng)”，使其具備各組元的優(yōu)良性能，能夠發(fā)揮單一金屬難以起到的作用，具有經(jīng)濟(jì)性和功能性兼?zhèn)涞膬?yōu)勢(shì)。在現(xiàn)有的金屬?gòu)?fù)合技術(shù)上，開(kāi)發(fā)以低成本、高質(zhì)量為中心，促進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)化和短流程化的新金屬?gòu)?fù)合技術(shù)，將成為各國(guó)科研人員的重要課題。

[1]易健宏,楊平,沈韜.碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料電學(xué)性能研究進(jìn)展[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2016,33(4):689-703.

[2]張丹丹,戰(zhàn)再吉.石墨烯/金屬?gòu)?fù)合材料力學(xué)性能的研究進(jìn)展[J].材料工程,2016,44(5):112-119.

[3]李濤,閆翠霞,黃啟祥,等.石墨烯-稀貴金屬?gòu)?fù)合材料的制備及其研究進(jìn)展[J].熱加工工藝,2016(2):23-27.