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1、金 属 世 界 2 0 0 7年第2期 h t t p : w w w . j s s j z z . c o m 复合材料是指由两种或两种以上不同物质以 不同方式组合而成的材料，它可以发挥各组元材 料的优点， 克服单一组元的缺陷。复合材料按用途 可分为结构复合材料和功能复合材料，根据基体 种类可分为金属基复合材料、 陶瓷基复合材料、 聚 合物基复合材料和炭基复合材料等， 按增强 （韧） 相可分为颗粒增强、晶须增强或纤维增强复合材 料。复合材料已广泛应用于航空航天、 汽车、 电子 电气、 建筑、 体育器材、 医疗器械等领域， 近几年更 是得到了突飞猛进的发展。 1复合材料领域的国际前沿热点及进
2、展 1 . 1金属基复合材料 金属基复合材料是包括颗粒、 晶须、 纤维增强 金属基体的复合材料。金属基复合材料兼具金属 与非金属的综合性能， 材料的强韧性、 耐磨性、 耐 热性、导电导热性及耐候性能适应广泛的工程要 求， 且比强度、 比模量及耐热性超过基体金属， 对 航空航天等尖端领域的发展具有重要作用。在该 类材料中， 所用基体金属包括轻合金 （铝、 镁、 钛） 、 高温合金与金属间化合物， 以及钢、 铜、 锌、 铅等； 增强纤维包括炭 （石墨） 、 碳化硅、 硼、 氧化铝、 不锈 钢及钨等纤维； 增强颗粒包括碳化硅、 氧化铝、 氧 化锆、 硼化钛、 碳化钛、 碳化硼等； 增强晶须包括碳 化
3、硅、 氧化硅、 硼酸铝、 钛酸钾等。以上各种基体和 增强体可组成大量金属基复合材料，但目前多数 处于研发阶段， 只有少数得到应用。如硼、 石墨纤 维增强铝 （镁） 用于卫星、 航天飞机结构、 空间望远 镜部件，碳化硅纤维与颗粒增强钛合金用于大推 比飞机压气机部件， 颗粒增强铝基复合材料 （P R A ） 广泛用于航空、 航天及汽车、 电子领域。在金属基 复合材料中颗粒增强铝基复合材料最具发展潜 力。该材料具有比强度和比模量高， 耐磨性、 阻尼 性及导热性好， 热膨胀系数小等优异性能。其主要 应用领域一是航空、 航天和军事领域， 二是汽车、 电子信息和高速机械等民用领域。发展目标是代 替铝合金、
4、 钛合金、 钢等用于制造高性能的构件， 减重并提高性能和仪器精度。美国已从 4 5 5 m m 圆坯中挤压出 1 8 2 k g 重的 S i C p / A l 型材，并轧制 出尺寸为 3 0 5 0 m m 1 3 2 0 m m 3 m m 的板材，制造了 火箭发动机、导弹和卫星上的零件。加拿大 C e r - c a s t 公司试制了 P R A 材料飞机用光学底座、万向 支架等精密铸件及液压管、压气机涡壳和卫星反 动轮， 代替铝合金， 减重并提高了使用性能。美国 D W A 公司用 S i C 颗粒增强 6 0 9 2 铝基复合材料代替 铝合金， 大规模用于 F 1 6 战斗机的垂
5、直尾翼， 提高 寿命 1 7倍；代替树脂基复合材料用于 B 7 7 7和 C - 1 7 G l o b e m a s t e r 的 P & W 4 0 0 0发动机风扇出口 导流叶片， 大幅提高使用寿命并降低成本 3 3 % 。美 国 D W A公司和英国 A M C公司将 S i C / A l批量用于 E C - 1 2 0 和 E C - 1 3 5 直升机旋翼系统， 大幅提高构件 刚度和寿命。这些关键结构件的成功应用说明美 国和英国对这种材料的应用研究已相当成熟。 研究发展电子器件封装用高导热、低热膨胀 金属基复合材料是国际上金属基复合材料研究发 展的最新动态之一。美国已研制成功
6、了 S i C p / A l 、 S i p / A l 、 C / A l 等高性能电子封装用复合材料， 用于 高功率密度、 高集成密度的电子器件， 成为解决电 子器件迅速传热、 散热问题的关键材料。针对正迅 速发展的高集成度、 高功率密度电子器件的需求， 最近研究发展的电子封装复合材料有：碳化硅颗 粒增强铝基复合材料 （S i C p 含量为 6 0 % 7 5 % ） ； 超 高模量、 高导热性沥青石墨纤维 （k 1 1 0 0 ） 增强铝 基、 铜基复合材料及银基复合材料。这些材料的导 复合材料研究新进展( 上) 黄伯云, 肖 鹏, 陈康华 （中南大学粉末冶金国家重点实验室） 材料天
7、地 4 6 h t t p : w w w . j s s j z z . c o m 金 属 世 界 2 0 0 7年第2期 热系数为 1 2 0 6 3 0 W / （m k ） ，热膨胀系数 0 . 5 8 1 0 - 6 K - 1。电子器件用金属基复合材料使用性能 要求高、 用量大， 将成为金属基复合材料最主要的 发展方向之一。 汽车、高速列车和高速机械用金属基复合材 料是当前及今后另一个重要研究方向。铝基复合 材料 （如 S i C p / A l ） 具有重量轻、 导热性好和耐磨的 特点， 是一种新型的刹车盘、 活塞、 连杆材料， 成为 汽车及高速列车轻量化的关键新材料。美国 F
8、 o r d 公司已研制成 S i C p / A l 复合材料刹车盘，批量用 于高级轿车 L i n c o l nT o w nC a r 上。德国一家公司 成功研制了高速列车制动盘，运用在地铁和城郊 列车上， 取得了巨大的经济效益。此外， 美国、 英国 等国家已经生产出 S i C p 或 B 4C p 增强铝基复合材 料自行车， 并在市场上销售。 综观国际上 P R A的研究与开发，不难看出， P R A 的大规模生产已经获得成功， 只要进一步降低 这种新材料的成本， 提高性能、 价格比， 则这种复 合材料不但将应用于航空、 航天和军事领域， 而且 大规模商业应用也指日可待。 1 .
9、2陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料( C M C ) 的增韧材料主要有碳 纤维 （C F ） 、 碳化硅纤维 （S i C f ） 、 玻璃纤维、 氧化物 纤维， 以及碳化物和氧化物颗粒等， 基体材料主要 有氧化物陶瓷、 碳化物陶瓷和氮化物陶瓷等。C M C 种类繁多， 由于其 “耐高温和低密度” 特性优于金 属和金属间化合物， 因而美国、 英国、 法国、 日本等 发达国家一直把 C M C 列为新一代航空发动机材料 的发展重点， 而连续纤维增韧的 C M C 是重中之重。 C f / S i C 、 S i C f / S i C和 S i C f / A l 2O3等连续纤维 增韧的 C M
10、 C 具有耐高温、 密度低、 耐腐蚀、 类似金 属的断裂行为、对裂纹不敏感和没有灾难性损毁 的特点。美国 N A S AL e w i s 研究中心制定高温发动 机材料计划（H I T E M P ）明确发展连续纤维增韧的 C M C ， 这一点在国际上已达成共识。 目前， C f / S i C 、 S i C f / S i C 和 S i C f / A l 2O3等连续 纤维增韧的 C M C 已在推重比 9 1 0 一级的多种型 号军用发动机和民用发动机中等载荷静止件上试 验成功， 主要试验应用的部位有燃烧室、 燃烧室浮 壁、 涡轮外环、 火焰稳定器和尾喷管 （矢量喷管） 调 节片等
11、。实践表明， 航空发动机采用 C M C 构件大大 节约了冷却气量， 提高了工作温度， 降低了结构重 量并提高了使用寿命。美国、 英国和法国在推重比 5 2 0 发动机的研制中， C M C 更成为不可缺少的材 料， 应用部位显著增加， 目前已进行了大批试验和 应用。 在 C M C 中，碳化硅陶瓷基复合材料还是一种 新型制动材料。2 0 世纪 9 0 年代中期， 为了满足高 速列车、 装甲车、 重载卡车、 高级轿车等安全行驶 的需求，西方工业发达国家开始进行将碳化硅陶 瓷基复合材料应用于制动领域的研究，现已经成 为高性能制动材料的一个重要方向。2 0 0 1 年波尔 舍汽车公司生产出碳化硅陶
12、瓷基复合材料陶瓷制 动盘， 与金属制动材料相比质量减轻了 5 0 % ， 而有 效摩擦力提高了 2 5 % 。 英国 S A BW a b c o 公司已经研 制出了碳化硅陶瓷基复合材料制动闸瓦，试用于 法国 T G V - N G 高速列车。日本新干线正在试用碳化 硅陶瓷基复合材料的制动闸瓦。 2 0 0 3 年， 美国国防部授权发表的 面向 2 1 世 纪国防需求的材料研究报告指出，到 2 0 2 0 年， C M C的性能最有潜力获得 2 0 % 2 5 % 的大幅提升， 被列为优先发展的材料。 1 . 3聚合物基复合材料 聚合物基复材料 （P M C ） 是以热固性或热塑性 树脂为基体
13、材料和另外不同组成、不同性质的短 切的或连续纤维及其织物复合而成的多相材料。 常用的增强纤维材料有玻璃纤维、 碳纤维、 高密度 聚乙烯纤维等。 聚合物基复合材料密度低、比强度高，耐腐 蚀、 减振性能好， 模量高和热膨胀系数低， 是一种 高性能工程复合材料， 广泛应用于汽车、 航空航天 和军事等领域。美国 A V - 8 B 垂直起降飞机和 F - 1 8 战斗机均采用了聚合物基复合材料，与采用传统 材料相比， 它们的质量分别减轻了 2 7 % 和 1 0 % 。波 音 7 7 7飞机上采用聚合物基复合材料用量达到 9 9 0 0 k g ， 占结构总质量的 1 1 % 。聚合物基复合材料 应用
14、于汽车， 可显著减轻汽车自重， 降低油耗， 提 高汽车安全舒适性，降低汽车的制造与使用综合 成本。另外聚合物基复合材料在交通、 建筑、 环保、 体育用品等方面的应用也日趋广泛，已占复合材 材料天地 4 7 金 属 世 界 2 0 0 7年第2期 h t t p : w w w . j s s j z z . c o m 在寒冷的冬天， 如果你不太擅长衣物搭配， 是 否会为了围巾颜色与外衣不相称而烦恼呢?日本 科学家发明了一种可以变色的围巾，它能够自动 调整出与外衣搭配协调的颜色。 日本庆应大学科学家发明的这种围巾中， 织 入了能发出红、 蓝、 绿三种颜色光线的微型发光二 极管。调整不同颜色二极
15、管的亮度， 就能改变围巾 总体颜色。围巾内置的一个小型传感器能识别离 它最近的衣物颜色，然后由微型电脑从颜色库中 选择与之搭配协调的颜色。例如， 如果人穿上深蓝 色外衣， 根据电脑的默认设置， 围巾会自动变成一 种雅致的浅蓝色来与之相配。 此外，假如消费者对时尚流行有着特别的看 法，还可以根据自己的喜好对电脑选择颜色的原 则进行调整，尝试更为大胆的颜色搭配。科学家 说， 理论上这种围巾可以变成 4 0 0 0 种颜色。 日本发明“变色围巾” 料用量的 9 0 % 以上。在民用领域， 某些功能性聚合 物基复合材料具有防静电、 抗菌除臭的效果， 市场 上出现的抗菌冰箱，无菌塑料餐具等便是这种技 术
16、的应用。 自 2 0 世纪 9 0 年代以来，纳米技术和纳料材 料得到飞速发展，科学家将具有纳米尺寸（小于 1 0 0 n m ） 的金属或金属氧化物材料采用填充、 共混、 增强等技术分布于聚合物基体中，利用纳米材料 独特的小尺寸效应、界面效应及量子效应引起的 一系列特异的声、 光、 热、 电等性能， 开发出具有特 殊功能的聚合物基纳米复合材料，能吸收和衰减 电磁波、 减少反射和散射， 用于隐形飞机、 隐形军 舰等其他需要电磁波屏蔽场所的涂敷。美国 F - 1 1 7 A 先进战术隐身战斗机、 A - 1 2 先进战斗机和 最新的 F - 2 2 战机， 均采用了聚合物基纳米复合材 料作为隐身材料。世界上正在研制的第四代超音 速歼击机， 机体结构采用聚合物基复合材料、 翼身 融合体和吸波涂层， 配合电磁波吸收涂料和电磁、 屏蔽涂料的使用，使其真正具有了隐身功能。美 国、 俄罗斯等国家的新一代导弹正朝着轻质、 宽频 带吸波、具有空气动力学和热稳定性良好的聚合 物基隐身材料方向发展。 1 . 4炭/炭复合材料 炭 /炭 （C / C ） 复合材料是以碳纤维增
