经过T1热处理后的SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料的不足之处是:
需改善其延性与韧性；因在制造温度范围内具有较高强度而使制
造较困难；制造工艺范围窄。在未来的研究计划中，研究者打算
用可能获得的资金，制造少量碳化硅颗粒增强Al-Fe-V-Si前弹体
样品，以便进行机械加工试验及结构试验。
2019年8月12日星期一
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导弹零 部件 传统材料
材料 新材料
新材料 减重/% 减重/%
名称
制备方法
前弹体
钢
20%SiCp/Al-Si- 粉末冶金
49
94
Mg
弹翼
铝
20%SiCp/Al- 粉末冶金
15
-
Cu-Mg
尾部套管
铝
20%SiCp/Al-Si 铸造
34
112
组合尾翼 铝/钢 与轴
SiCp/Al
如刹车盘。
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图9-11 SiCp/Al复合材料刹车盘
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图9-12 Lotus Elise跑车
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9.1.3.3 有传动系统上的应用 汽车靠离合器摩擦盘来传递动力，离合器的使用寿命，
主要取决于从动盘摩擦片的耐磨性，铝基复合材料的耐磨性， 导热性好，可用它来做离合器摩擦片。
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图9-5飞机上承放电子设备的铝基复合材料支架
图9-6 F-16战斗机的腹最近几年，以颗粒增强铝为代表的金属基复合 材料才作为主承载结构件在先进飞机上获得正式应用。下面将 对几个最有代表性的、甚至可以说是标志性的工程应用及其所 产生的效果加以具体介绍。
第9章 金属基复合材料的 应用与发展趋势
江苏大学 材料科学与工程学院
9.1 金属基复合材料的应用
金属基复合材料自进入工业应用发展阶段以来，逐步拓宽 了应用范围，但由于价格较高且难以大幅度降低，使得许多可能 得到应用的领域,尤其对价格比较敏感的汽车等行业的应用受到 限制。复合材料的大规模应用，除价格之外，还需要解决设计、 加工、回收等方面的问题。
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圈 9-1 航天飞机轨道器中机身 B/Al 复合材料构架 图 9-2 哈勃望远镜 Cr 纤维/铝基复合材料悬架
图 9-3 为哈勃望远镜整体结构
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9.1.1.2 铝基复合材料在导弹中的应用
作为第三代航空航天惯性器件材料，仪表级高体分SiC颗 粒/铝基新型复合材科，替代铍材，已在美国用于某型号惯性 环形激光陀螺制导系统，并已形成美国的国家军用标准 （MIL-M-46196)。该材料还成功地用于三叉戟导弹的惯性导 向球及其惯性测量单元（IMU）的检查口盖，并取得比铍材的 成本低三分之二的效果。
在美国国防部“Title Ⅲ”项目支持下，DWA复合材料公司 与洛克希德·马丁公司及空军合作，将粉末冶金法制备的碳化硅 颗粒增强铝基（6062Al）复合材料用于F-16战斗机的腹鳍（见 图9-6），代替了原有的2214铝合金蒙皮，刚度提高50%，使寿 命由原来的数百小时提高到设计的全寿命8000 h.，寿命提高幅 度达17倍。此外，F-16上部机身有26个可活动的燃油检查口盖 （见图9-7），其寿命只有2000 h，并且每年都要检修2～3次。 采用了碳化硅颗粒增强铝基复合材料后。刚度提高40%，承载能 力提高28%，预计平均翻修寿命可高于8 000 h，裂纹检查期延 长为2～3年。
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9.1.3在汽车工业上的应用 金属基复合材料用于汽车工业主要是颗粒增强和短纤维
增强的铝基、镁基、钛合金等有色合金基复合材料。
9.1.3.1 在内燃机方面的应用 金属基复合材料具有比强度、比刚度高，耐磨性好，导
热性好，热胀系数低等特性，很适合于制作内燃机的活塞连 杆、缸套等部件。
9.1.3.2 在制动系统上的应用 金属基复合材料尤其适合作汽车、摩托车制动器耐磨件，
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(3) 近期和未来的研究计划
在近期的研究计划中，重点研究了经过T1热处理后的 SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料，并与经过T1热处理后2618铝合金以 及碳化硅颗粒增强2000系列铝合金进行了对比。
研究结论是:经过Tl热处理后的17%碳化硅颗粒增强 SiCp/Al-Fe-V-Si合金可用于制造比传统Al-Cu-Mg合金壁薄的导 弹前弹体，减重20%～35%，并有助于改善导弹的性能，例如提高 速度，改进制导与精度:这种薄壁前弹体可增加导弹的有效载荷 容积。
-
40～60
93
控制圆筒 铝
Cf/Al
-
-
167
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（2) 第二阶段研究计划
1994年，英国确定了第二阶段铝基复合材料研究计划。 该计划的目标是探讨用铝基复合材料制造未来近程和中程空对 空高速导弹前弹体的可行性。研究的主要内容是颗粒增强铝基 复合材料的抗瞬时高温性能。希望该材料在350～400℃温度时 具有瞬时强度。研究的材料包括用不同质量分数碳化硅颗粒增 强的2124、2618及Al-Fe-V-Si多种铝基复合材料。研究的结论 是：碳化硅颗粒增强2000系列铝合金的强度在200℃以下受基 体材料支配，具有较高值；该材料的强度在200℃以上迅速降 低，主要原因是碳化硅颗粒产生沉淀；该材料不适宜制造导弹 前弹体，但适宜制造其他导弹零部件；Al-Fe-V-Si是专为高温 用途研制的铝合金，碳化硅增强的该合金显示出良好的应用前 景。
9.1.3.4 在其它汽车零部件的应用 钛及钛合金由于具有质轻，比强度、比模量高、耐腐蚀、
有较高的韧性等特点，汽车制造厂正在探索用钛合金来延长气 门、气门弹簧和连杆等部件的寿命。
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9.1.4在电子封装领域的应用
目前，电子封装用MMC由基体金属和增强体两部分构 成。基体仍以A1、Cu、Mg及工程中常用的铝合金、铜合金 及镁合金为主，这主要是由其良好的导热，导电及优良的 综合力学性能所决定的。改变或调整基体成分将在以下两 个方面影响材料的性能，首先表现在对基体材料本身热物 性的影响；其次则表现为对基体与增强体界面结合状况的 影响。
(a)
(b)
2019年8月12日星期图一9-4 (a) 无压漫渗近净形制备的高体积分数 SiC/Al 复合材料零件, (b) 零件的工业 CT 图像
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9.1.2 金属基复合材料在航空领域的应用
对安全系数及使用寿命都要求极高的航空工业始终是金 属基复合材料最具挑战性的应用领域，特别是在商用飞机上 应用更是如此。因此，金属基复合材料的航空应用进程大大 滞后于航天应用。最早的航空应用实例是，早在20世纪80年 代，洛克希德·马丁公司将DWA复合材料公司生产的 25%SiCp/6061Al复合材料用作飞机上承放电子设备的支架。 该没备架尺寸非常大，长约2m（见图9-5），其比刚度比替代 的7075铝合金约高65%。在飞机扭转和旋转引起的力载荷作用 下7975铝合金会变形太多。
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更为引人注目的是，在20世纪90年代末，碳化硅颗粒增 强铝基复合材料在大型客机上获得正式应用。如图9-9为普惠 公司生产的PW4000航空发动机及其碳化硅颗粒增强铝基复合 材料风扇出口导流叶片。美国正在研制颗粒增强耐热铝基复 合材料，一旦开始生产，则将首先用于一级部分二级压气机， 例如用作压气机静子叶片（如图9-10所示）。
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F-38“大黄蜂”战斗机上采用碳化硅颗粒增强铝基复合材 料作为液压制动器缸体，与替代材料铝青铜相比，不仅重量减 轻、线胀系数降低，而且疲劳极限还提高一倍以上。在直升机 上的应用方面，欧洲率先取得突破性进展，英国航天金属基复 合材料公司（AMC）采用高能球磨粉末冶金法制备出了高刚度、 耐疲劳的碳化硅颗粒增强铝基 (2009A1)复合材料，用该种材 料制造的直升机旋翼系统连接用模锻件（浆毂夹板及轴套)， 已成功地用于Eurocopter（欧直）公司生产的N4及EC-120新型 直升机（见图9-8）其应用效果为：与钛合金相比，构件的刚 度提高约30%，寿命提高约5%；与钛合金相比，构件重量下降 约25%。
金属基复合材料在航天器上首次也是最著名的成功应用是， 美国NASA采用硼纤维增强铝基（50%Bf/6061Al）复合材料作为航 天飞机轨道器中段（货舱段）机身构架的加强桁架的管形支柱 （见图9-1）。
另一个著名的工程应用实例是，60%石墨（Gr）纤维（P100） /6061铝基复合材料被成功地用于哈勃太空望远镜的高增益天线悬 架（也是波导），这种悬架长达3.6m（见图9-2），具有足够的轴 向刚度和超低的轴向线胀系数，能在太空运行中使天线保持正确 位置，由于这种复合材料的导电性好，所以具有良好的波导功能， 保持飞行器和控制系统之间进行信号传输，并抗弯曲和振动。
金属基复合材料在国外已经实现了商品化，而在我国仅有 小批量生产，以汽车零件、机械零件为主，主要是耐磨复合材料 如颗粒增强铝基或锌基复合材料、短纤维增强铝基或锌、镁基复 合材料等，年产量仅5000t左右，与国外差距较大。
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9.1.1 金属基复合材料在航天领域的应用
9.1.1.1 连续纤维增强金属基复合材料在航天器上的应用
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（a）
(b)
图 9-7 F-17 战斗机及其燃油检查口盖
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图 9-8 直升机旋翼系统及其连接件
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图9-9 惠普公司的PW4000航空发动机及其风扇出口导流叶片
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图9-10航空发动机及其静子叶片
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