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1、中国标准化 2013年第5期 总第440期 38 专题研究 金属基复合材料 金属基复合材料产业化及标准现状 宋锦柱 朱宇宏 王 燕 姚 强 江苏省产品质量监督检验研究院 摘 要 本文总结了国内外金属基复合材料的应用领域及产品应用现状 对现有金属基复合材料标准 规范进行了 分析 比 较 提出了我国金属基复合材料标准体系框架设想 指出建立我国金属基复合材料标准体系搭建的必要性 以期尽早形成与 我国科研 生产相匹配的金属基复合材料标准体系 关键词 金属基复合材料 产业化 标准体系 Industrialization and Standard Status of Metal Matrix Compos
2、ites SONG Jin zhu ZHU Yu hong WANG Yan YAO Qiang Jiangsu Provincial Supervising Testing Research Institute for Products Quality Abstract In this paper the application field and status of metal matrix composites are summarized the existing standards of metal matrix composites are analyzed the idea to
3、 establish the standard system of metal matrix composite is proposed The author points out that it is necessary to set up the metal matrix composite standard system as soon as possible in scientifi c research and industrialization of our country Keywords metal matrix composites industrialization sta
4、ndard system 1 引言 上世纪90年代 在我国掀起了 一股金属基复合材 料 MMC 的研究热潮 经过20多年的研究 MMC已 在军事国防领域取得了产业化应用并向民用领域渗透 如今已在陆上运输 民航 工业和体育休闲产业等诸 多领域实现商业化的应用 迄今为止 由于MMC的制 备工艺不稳定 不完善 成本高等因素 导致难以大规 模生产 由于缺乏对生产出MMC的性能指标进行检测 评价的相关标准和规范 产品质量不能得到保证 易 导致生产企业 单位 与用户间的质量纠纷 本文将从MMC产品生产应用情况 目前已颁 布或正在制定中的相关标准等方面进行论述 探讨 未来MMC产业化及相关标准的发展方向 基
5、金项目 质检公益性行业科研专项 金属基复合材料检验方法及标准体系研究 项目编号 201110223 中国标准化 2013年第5期 总第440期 39 2 金属基复合材料产品和行业现状 美国对MMC研究起步最早和投入最大 也是 得到应用的终端产品最多的国家 日本 英国也出 现了一些拥有成熟生产工艺的生产企业 相比较而 言 我国对MMC的研究起步较晚 目前在军工 航 天领域已能够进行规模生产 但由于生产工艺还不 够成熟 成品率低等因素影响 在民用领域还没有 大的突破 2 1 在航空 航天领域的应用 众所周知 飞行器所用的结构材料总是希望有 足够的强度 刚度和抗疲劳的能力 且总质量在满 足各条件下最
6、小 目前 比较理想的飞行器用材料 有 MMC 碳纤维复合材料 超高强度钢 陶瓷基复 合材料等 其中MMC以其特殊的性能受到青睐 铝基复合材料的研究和应用最为广泛 早在 上世纪80年代 美国DWA复合材料公司生产的25 的SiCp 6061Al复合材料已被用作飞机上承放电子 设备的支架 其刚度比原用的7075铝合金约高65 F 18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 仅净质量减小 热膨胀系数降低 而且疲劳极限还 提高1倍以上 在航天领域 MMC具有超过聚合物基复合材料 的一系列性能优点 耐高温能力 老化性能 抗辐射 和抗原子氧 抗热冲击 导热率
7、尺寸稳定性 表面 缺陷敏感性等 MMC在航天中的最早应用是美国 航天飞机 它的轨道器中段机身主隔框 翼肋桁架 框架稳定支柱 前起落架 制动拉杆支柱 共使用 了243根B Al复合材料管形支撑件 用体积含量60 的单向硼纤维增强铝制成 刚度好 质量比铝合金 轻45 上世纪90年代初美国采用SiC增强8009 铝 合金开发的高温MMC材料 使用温度达370 密度 2 93 2 95g cm3 作为钛合金的替代品 用于航天飞 机机翼蒙皮 火箭箭体和其他航空航天结构 MMC还可用于惯性器件 碳化硅 铝MMC可 替代铍材用作惯性器件 被誉为 第三代航空航 天惯性器件材料 已被正式用于美国某导弹惯 性环形
8、激光陀螺制导系统 并已形成美国的军标 MIL M 46196 2 2 在军工领域的应用 美国世纪公司通过与美国陆军坦克机动车辆 研究开发与工程中心 TARDEC 合作 采用铝基复 合材料 MMC 刹车鼓 替代原来军用车辆沉重的 铸铁或钢制部件 该铝基复合材料 MMC 刹车鼓 比铸铁轻45 散热也优于铸铁 2 3 在交通运输领域的应用 铝基复合材料可用于制作发动机连杆 连杆的 要求是高强度 轻量化 低成本 传统连杆材料主要 有调质钢 非调质钢 粉末冶金材料 成本高 工艺 复杂 丰田公司在其新式Fx 1轻型特种车辆的高性 能试验发动机上装了多晶氧化铝纤维强化铸铝连杆 这种连杆的重量轻 比钢质连杆减
9、轻大约30 抗 拉强度和疲劳强度高 线膨胀系数小 可满足连杆 工作时的性能要求 用MMC制造的汽车发动机活塞 汽车发动机 汽缸套 汽车传动轴 汽车发动机连杆 汽车阀杆 汽车刹车组件 高速列车刹车组件等已经得到应用 汽车轻量化对节能减排意义重大 2 4 其他 在热控领域 铝基复合材料还可作为非结构应 用 提高陶瓷颗粒的体积分数可有效降低其热膨胀 系数 同时保持较高的导热率 此类材料密度小 导 热高 膨胀低 在微电子封装领域得到应用 代表 性的材料有6092 SiC 40p和6063 SiC 50p 铝基复合材料在一些对性能要求较高的民用 产品领域也具有较大的应用潜力 在过去的几年中 铝基纳米复合
10、材料赛车零部件的研制也取得了重要 进展 已经研制出可批量生产的纳米复合材料赛车 传动轴 活塞以及齿环等零部件 在体育休闲领域 用于制造各种自行车架及零件 赛艇和游艇的发动 机活塞 传动轴 高尔夫球杆 棒球和垒球棒 铝基复合材料还可用于高速切削刀架 数控机 器 核废料存储设备 油钻塔张力调整器 煤矿绞 宋锦柱 朱宇宏 王燕 姚强 金属基复合材料产业化及标准现状 中国标准化 2013年第5期 总第440期 40 车离合器等 2 5 我国MMC生产 应用现状 我国尚未形成完善的MMC产业 目前仅少数研 制单位具有小批量的配套能力 其品种 规格较为单 一 但仍然为国防和军工建设提供有力的支撑 例如 军
11、用复合装甲 军用发动机活塞 刹车制动盘等 在民用方面 目前 中铝山东分公司电解铝厂 生产的颗粒增强MMC原料应用于刹车制动盘 活塞 连杆 上海爱丹耐火材料有限公司使用硅酸铝纤维 增强铝基复合材料制作发动机活塞 宁波良勇机械 厂可生产铝基颗粒增强复合材料刹车盘 轻质高强多功能MMC在航天 航空 国防先 进武器等军事领域的应用具有不可替代性 是典型 的军民两用新材料 也正是由于MMC特殊的国防应 用背景 国外对其核心技术和产品严格保密 随着 我国在空间技术 航天航空 高速交通 通讯电子 等领域综合实力的提升 对高性能金属基复合材料 的需求日益增加 例如汽车发动机零部件 高速列 车制动系统 电子封装
12、及核废燃料辐射防护等 近 年来 觑觎中国的MMC巨大的市场空间 西方一些 MMC公司在中国建立了若干合资或独资企业 但是 并没有 也不可能转移相关技术 为了避免受制于人 必须尽快提升我国自主的MMC生产和应用水平 3 金属基复合材料已有检测方法和产品标准 目前 我国MMC的相关标准严重缺失 MMC的 标准化工作大大落后于美国 日本等发达国家并滞 后于我国MMC的发展 目前可以检索到的相关标准 及规范见表1 ISO T TA 2 1997 Tensile tests for discontinuously reinforced metal matrix composites at ambient
13、 temperatures 主要针对非连续增强MMC的 常温拉伸试验作出了相关规定 需要注意的是 它 并不是ISO标准 而是作为MMC常温拉伸测试方法 的技术趋势评估 检索到的美标有3个 分别是 ASTM B976 2011 Standard Specification for Fiber Reinforced Aluminum Matrix Composite AMC Core Wire for Aluminum Conductors Composite Reinforced ASTM D 3552 96R07 Standard Test Method for Tensile Propert
14、ies of Fiber Reinforced Metal Matrix Composites MIL HDBK 17 4A Composite Materials Handbook Vol 4 metal matrix composites 其中 ASTM B976 2011 标准名称为 铝导体用纤维增强铝基复合材料芯 线 这是一个产品标准 规定了氧化铝纤维连续增 强铝基导线的性能要求 该产品的典型性能有 抗 拉强度1380 MPa 断后伸长率0 65 拉伸模量210 Gpa 20 电阻0 0718 mm2 m 20 240 热膨胀系 数6 3 10 6 密度3370kg m3 ASTM D
15、 3552 96R07为纤维增强MMC拉伸试 验方法 它适用于各种连续 非连续纤维增强MMC 的室温 高温拉伸试验 MIL HDBK 17 4A 金属基复合材料 为美 国的军标 它包含了三个部分 第一部分为MMC总 论及材料表征试验计划 复合材料试验和分析方法 宋锦柱 朱宇宏 王燕 姚强 金属基复合材料产业化及标准现状 表1 MMC相关标准 规范 序号标准名称国家 1 ISO TTA 2 1997 Tensile tests for discontinuously reinforced metal matrix composites at ambient temperatures ISO 2
16、ASTM B976 2011 Standard Specification for Fiber Reinforced Aluminum Matrix Composite AMC Core Wire for Aluminum Conductors Composite Reinforced 美国 3 ASTM D 3552 96R07 Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber Reinforced Metal Matrix Composites 美国 4 MIL HDBK 17 4A Composite Materials Handbook Vol 4 metal matrix composites 美国 5JIS H7006 1991 MMC用语 日本 6JIS H7401 MMC增强体积含量试验方法 日本 7 GJB 5443 2005 高体积分数碳化硅颗粒 铝基复合材料规范 中国 8 GJB 5975 2007 碳化硅颗粒增强铸造铝基 复合材料规范 中国 9 HB 7616 1998 纤维增强MMC层板拉伸性 能试验方法
