硼-鋁複合材料

硼-鋁複合材料用硼纖維或帶保護塗層的硼纖維增強的鋁或鋁合金，硼纖維的體積含量一般約為45%~55%。比重低，機械性能高。單向增強的硼-鋁複合材料縱向拉伸強度隨工藝與原料不同約為1.2~1.7GPa，彈性模量約為200~240GPa。縱向比彈性模量和比強度分別約為鈦合金硬鋁、合金鋼的3~5倍和3~4倍。疲勞性能好，400℃以下仍有較高強度，已套用於渦輪噴氣發動機風扇葉片和航空、宇航飛行器及人造衛星結構件。採用熱壓擴散結合法製造板材、型材及形狀較複雜的零件；也可以使用連續鑄造法製造各種型材。為避免鋁與硼的有害反應硼纖維的保護塗層常為碳化矽和碳化硼。

基本介紹

• 中文名：硼-鋁複合材料
• 外文名：boron - aluminium composite
• 硼纖維體積：一般約為45%~55%
• 縱向拉伸強度：約為1.2~1.7GPa
• 彈性模量：約為200~240GPa
• 套用：渦輪噴氣發動機風扇葉片等

研究內容

複合材料的一個主要目標就是套用像硼那樣極高強度的共價結合纖維與適合於結構製造和套用的基體來克服這些限制。而鋁則是被選用最廣的基體材料。關於硼-鋁複合材料的研究主要包括以下幾個方面的內容:

(1)研製強度高、剛性大、重量輕的構件，這在航空航天領域中顯得尤為重要。

(2)改進大型構件的製造技術，研製可靠耐用的材料及構件。

(3)改進硼-鋁複合材料的製造套用技術，促使其成本儘可能降低。

增強纖維

作為結構套用來說，選擇複合材料組元的主要目標是高比模量和高比強度，硼-鋁複合材料因此在研究與發展上受到了很大的重視。對增強纖維的主要要求是比模量高、比強度高、性能重複性好、價格低以及易於製造成複合材料。玻璃纖維強度較高價格低廉，但它的模量低易與鋁起反應。氧化鋁纖維的比模量和比強度較低且價格昂貴。碳化矽纖維與鋁的反應比硼小，並已作為硼纖維的塗層使用，但其密度比硼高30%，且強度較低。高模量石墨纖維似乎很有吸引力，但它以紗線形式出現卻是一個嚴重缺點，因為用固態製造方法很難使金屬滲入為數一萬根的纖維束中，而熔融的鋁合金又會與纖維起劇烈反應。

基體

硼纖維選擇鋁合金作為基體是由於鋁合金具有良好的綜合性能。所謂良好的綜合性能是指良好的結合性能，較高的斷裂韌性，較強的阻止在纖維斷裂或劈裂處的裂紋擴展能力；較強的抗腐蝕性，較高的強度等。對於高溫下使用的複合材料，還要求基體具有較好的抗蠕變性和抗氧化性。此外，基體應能熔焊或釺焊，而對於某些套用還要求基體能採用複合蠕變成型技術。普遍使用的鋁合金有變形鋁、鑄造鋁、焊接鋁及燒結鋁等。這些鋁合金並不完全符合硼纖維對金屬基體的要求，但某些合金已得到了成功的使用，這其中最普遍的是採用變形鋁為基體用固態熱壓法製得的複合材料。用鋁箔和等離子噴塗的預製合金粉製造複合材料時，使用過多種變形鋁合金。

鋁基複合材料的製造工藝

複合材料的製造包括將複合材料的組分組裝並壓合成適於製造複合材料零件的形狀。常用的工藝有兩種，第一種是纖維與基體的組裝壓合和零件成型同時進行；第二種是先加工成複合材料的預製品，然後再將預製品製成最終形狀的零件。前一種工藝類似於鑄件，後一種則類似於先鑄錠然後再鍛成零件的形狀。

製造過程可分為三個階段：纖維排列、複合材料組分的組裝壓合和零件層壓。大多數硼-鋁複合材料是用預製品或中間複合材料製造的。前述的兩種工藝具有十分相似的製造工藝，這就是把樹脂粘合的或者是等離子噴塗的條帶預製品再經過熱壓擴散結合。