根据纤维的连续性,可分为长纤维增强和短纤维增强。常用的增强纤维大多为高模量、低密度纤维,如硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳(或者石墨)纤维,也有高密度、高强度纤维,如钨纤维、钼纤维,以及高强度的碳化硅纳米纤维(也叫作纳米线)、硼化钛纳米纤维。增强纤维一般情况下主要起承担载荷的作用,而金属基体主要起黏结纤维、传递载荷、部分承载的作用。
根据基体材料的不同,纤维增强金属基复合材料分为纤维增强铝基复合材料、纤维增强镁基复合材料、纤维增强钛基复合材料、纤维增强铜基复合材料、纤维增强铅基复合材料、纤维增强锌基复合材料、纤维增强高温合金复合材料和纤维增强金属间化合物复合材料。
以纤维与基体铝或其合金制成的一种复合材料。铝合金是一种轻质、价廉、强塑性匹配较好的基体材料,纤维增强铝基复合材料可以获得高比强度、比刚度,良好的高温性能,高的断裂韧性、抗疲劳等性能。常用的增强体纤维有碳(或石墨)纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳化硅纳米线等。
连续碳纤维增强铝基复合材料的比强度、比刚度和空间热稳定性能优异,是较为理想的空间结构材料。碳纤维增强铝基复合材料的制备方法有压力浸渗法、热压扩散结合法、真空反压铸造法等,其中压力浸渗法较为成熟。碳纤维增强铝复合材料可以根据构件的服役条件进行纤维分布设计,也可实现薄壁构件成型,实现结构设计、制备与成型一体化。这种复合材料可应用于航天器舱体构件、卫星波导管、卫星桁架、高速惯性飞轮、力传动轴等对重量、强度、刚度要求高的航天结构件。
硼纤维增强铝基复合材料是将硼纤维制备成预制带,然后通过固相或液相复合技术复合而成硼/铝复合材料。硼/铝复合材料的密度比铝低,其强度与高强度结构钢相当,而刚度更高。当硼/铝复合材料中纤维的体积分数为50%左右时,其抗拉强度可达1350~1550兆帕,拉伸模量200~230吉帕,而密度仅为2.6克/厘米3。主要应用于飞机发动机架、机身隔框、水平尾翼及纵梁等。在航天飞机上可制作框架、支撑杆等,并已成功应用于涡轮风扇发动机叶片、高性能航空发动机风扇叶片和导向叶片。
氧化铝纤维增强铝基复合材料具有耐高温、抗水、抗潮湿及耐腐蚀等优良性能,主要用于飞机发动机、弹道甲板等。
以纤维与基体镁合金制成的一种金属基复合材料。所用的纤维增强体分为:连续纤维增强型,常用的有碳(石墨)纤维和氧化铝纤维,以碳(石墨)纤维增强镁复合材料的研究最多;非连续纤维增强型,增强体有碳化硅晶须、氧化铝短纤维等。
通常碳纤维与镁界面结合力较低,可降低复合材料横向强度或层间强度。但由于镁合金耐腐蚀性能较差,加入碳纤维之后会加剧镁基复合材料腐蚀性,限制了碳纤维增强镁复合材料的应用。
石墨纤维增强镁基复合材料具有高的比模量和热稳定性,当石墨纤维含量达到50%左右时,石墨纤维增强镁基复合材料的热膨胀系数接近零,是航天器结构的优选材料之一。连续纤维增强镁基复合材料的制备工艺有压力浸渗法、拉拔法、铸造法等,中国的压力浸渗法较为成熟。
氧化铝短纤维增强镁基复合材料具有优良的耐磨性、耐腐蚀性和减震性能,比刚度、比强度高,适用于轻质、耐磨和耐腐蚀的场合。制备工艺主要为压力铸造法。
由高强度、高模量长纤维与钛基体制成的复合材料。大多是为了进一步提高钛合金比强度、比模量、高温性能而研究的,是一种先进的高温结构材料。使用的连续纤维主要有氧化铝纤维、碳化硼纤维和碳化硅纤维等,常用的是碳涂层的碳化硅纤维。碳化硅纤维增强钛基复合材料的比强度、比弹性模量都很高,并且还具有使用温度高、高温疲劳性能好等优点。制备连续纤维增强钛基复合材料一般采用固相法合成,然后在高温下施加压力压实成型。主要用于航空航天发动机、超高音速飞行器构件、先进能源转换系统等。
由纤维与铜或铜合金复合而成的一种均质或非均质复合材料。既保持了铜基体的高导热性和高导电性,又具有高强度与耐高温的性能。
最常用的增强体纤维是碳纤维。碳纤维增强铜基复合材料将碳纤维的自润滑、抗磨、线膨胀系数低等特点和铜的导热、导电性良好等优点结合在一起,延长了材料的使用寿命并提高了可靠性。长碳纤维增强铜基复合材料制备一般都先缠绕成复合材料的预制品,然后在氢气保护气氛下热压成型,另外还有熔融金属浸渗法、真空熔浸法、辊压扩散法、箔冶金法等。可用来制造大功率半导体基板、电阻焊电极等。
用于增强铜合金的非连续纤维有碳(石墨)纤维、钨丝、氧化铝纤维、纳米碳管、碳化硅纤维和钢纤维等,其中碳纳米管增强铜基复合材料有利于铜基复合材料的高强度、低膨胀、导电导热性,尤其是提高该类材料的耐磨性。制备非连续纤维增强铜基复合材料时较多采用粉末冶金法,可以发挥其一次成型的优势,避免了后续切削加工的材料消耗。
以高强纤维与金属铅制成的复合材料。铅的密度为11.35克/厘米3,稳定性好,对低能或高能X射线和γ射线均有很高的衰减特性,可用于辐射屏蔽材料等。纤维增强铅基复合材料中的纤维主要为碳纤维。碳纤维(石墨纤维)的加入,可以提高铅的强度、弹性模量和抗蠕变性能,减小材料比重。碳纤维增强铅基复合材料中碳纤维含量可根据性能要求选取,体积含量一般为30%~40%。制造方法主要是热压法和液态金属浸渗法,可直接制成板或零件。该类材料主要用于核工程中,如核潜艇的大型蓄电池极板。
由纤维与锌或锌合金制成的复合材料。锌合金抗蚀性能好,熔点低,流动性好,容易铸造复杂零件。但锌合金抗蠕变性能不高,在80℃时已变得相当差,因此不适用于高可靠性应用领域。研发锌基复合材料的主要目的是改善基体合金的摩擦学性能,使用的纤维增强体主要为碳纤维。制备方法主要为液态金属浸渗法。碳纤维增强锌基复合材料可作为运载车辆及机械设备的一些传动齿轮、转轮和特殊耐磨部件等。
用难熔金属丝或氧化物等陶瓷纤维增强高温合金的复合材料。高温合金是指在760~1500℃及以上一定应力条件下,能长期工作的高温金属材料,要求具有高温强度、抗氧化、抗热腐蚀和抗疲劳性能。研究较多、比较有应用前景的是钨、钼等难熔合金丝增强的高温合金,其中以钨丝增强发展较快。基体通常采用镍基高温合金或铁基合金。一般采用热压扩散结合法,即用纤维/箔材叠片在接近基体熔点的温度下热压固结而成。亦可采用粉末冶金法。
镍基复合材料具有良好的高温强度、抗热疲劳、抗氧化和抗热腐蚀性,是取代传统镍基高温合金,制造航空、航天及工业燃气涡轮发动机中重要受热部件的新型材料。主要使用的增强纤维有金属纤维、碳化硅纤维、碳纤维和氧化铝纤维等。
铁基复合材料的研制是为了满足在高温、高速和耐磨损条件下工作的结构件需求,如高速线材轧机的辊轮和导向轮等。使用的增强纤维主要有钨、钼等金属丝纤维以及硼化钛纤维等。
将纤维状材料置于金属间化合物中而构成的复合材料。金属间化合物高温材料是一类低密度、耐高温、耐氧化材料。采用连续纤维增强金属间化合物主要是解决金属间化合物的脆性问题、高温强度问题以及难成型等问题。常用的增强体纤维有碳化硅纤维、氧化铝纤维、高熔点金属纤维等。纤维增强金属间化合物复合材料比未增强的基体具有更高的比强度、比刚度、比模量和更高的高温结构稳定性,主要用作航空航天器高温结构部件、航空发动机部件。主要制备工艺有粉末冶金法、热压法和热等静压,以及压力浸渗法等。增强体纤维和金属间化合物的界面相容性是该材料应用研究的关键问题。