14.3.2金属-非金属复合材料
14.3.2.1金属基复合材料的性能特征
金属基复合材料与一般金属相比，具有耐高温、高比强度、高的比弹性模量、小的热膨胀系数和良好的抗磨损性能。与聚合物基复合材料相比，不仅剪切强度高、对缺口不敏感，而且物理和化学性能更稳定，如不吸湿、不放气、不老化、抗原子氧侵蚀、抗核、抗电磁脉冲、抗阻尼，膨胀系数低、导电和导热性好。由于上述特点，使金属基复合材料更适合空间环境使用，是理想的航天器材料，在航空器上也有潜在的应用前景。
14.3.2.2金属基复合材料的研究与应用
表14.101 和表14.102简要概述了各类金属基复合材料在航空航天领域的应用概况。金属基复合材料(MMC)的研究始于20世纪60年代，美国和俄罗斯在航空航天用金属基复合材料的研究应用方面处于领先的地位。20世纪70年代，美国把B/Al复合材料应用到航天飞机轨道上，该轨道器的主骨架是采用89种243根重150g的B/Al管材制成，比原设计的铝合金主骨架减重145g。美国还用B/Al复合材料制造了J-79和F-100发动机的风扇和压气机叶片，制造了F-106、F-111飞机和卫星构件，并通过了实验，其减重效果达20%～66%。苏联的B/AL复合材料与80年代达到实用阶段，研制了多种带有接头的管材和其他型材，并成功地制造出能安装三颗卫星的支架。由于B纤维的成本高，因此自70年代中期美国和苏联又先后开展C/AL复合材料的研究，在解决了碳纤维与铝之间不湿润的问题以后，C/AL复合材料得到应用。美国用C/AL制造的卫星用波导管具有良好的刚性和极低的热膨胀系数，比C/环氧复合材料轻30%.。随着SiC纤维和Al2O3纤维的出现，连续纤维增强的金属基复合材料得到进一步发展，其中研究和应用较多的是SiC/AL复合材料。连续纤维增强金属基复合材料的制造工艺复杂、成本高，因此美国又率先研究发展晶须增强的金属基复合材料，主要用于对刚度和精度要求较高的航天构件上。美国海军武器中心研制的SiCp/Al复合材料导弹翼面已经进行了发射试验，卫星的抛物面天线、太空望远镜的光学系统支架也采用了SiCp/Al复合材料，其刚度比铝大70%，显著提高了构件的精度。
MMC对航天器的轻质化、小型化和高性能化正在发挥越来越重要的作用。
MMC在航空器上的应用也有很大潜力，英国研制了SCS-6/Ti的发动机叶片，大幅度提高了其承载能力和刚度，优化了气动载荷下的翼型。用SCS-6/Ti代替耐热钢制造的RB211发动机的压气机静子，可使该构件减重40%；采用SCS-6/Ti代替镍基高温合金制作压气机叶环结构转子，可是该部件减重80%；SiCf/Ti也可望代替不锈钢在F-22试验型飞机制作活塞杆。
表14.101 B/Al复合材料的应用
表14.102 其他MMC的应用背景
14.3.2.3 铝基复合材料的性能
(1)外加晶须或颗粒复合材料
表14.103和表14.104给出了常用铝基复合材料的性能。
表14.103 连续纤维增强铝基复合材料的性能
表14.104 晶须或颗粒增强AL基复合材料的体系和性能
(2)原位内生颗粒增强铝基复合材料
原位内生颗粒增强铝基复合材料及其性能见表14.105。
表14.105 原位内生颗粒增强铝基复合材料及其性能
14.3.2.4 钛基复合材料
与钛合金相比，钛基复合材料具有高比强度和热稳定性、高的弹性模量、高的抗蠕变性能、高的耐热温度和良好的耐磨性能。
(1)连续纤维增强的钛基复合材料
连续纤维增强的钛基复合材料及其力学性能见表14.106和表14.107。 表14.106 SCS-6纤维增强的钛基复合材料及其在不同温度的纵向拉伸力学性能
表14.107 SCS-6纤维增强钛基复合材料在538℃和650℃时的蠕变性能
(2)颗粒增强钛基复合材料
美国的Cerme Ti系列复合材料采用CHIP工艺（冷等静压+烧结+热等静压）制造，为含有不同含量的TiC、TiB2颗粒增强的Ti-6Al-4V复合材料。10%(重量)TiC/Ti-6Al-4V复合材料的断裂强度和弹性模量从室温到650℃比Ti-6Al-4V合金都提高了15%，TiC颗粒为20t%(重量)时复合材料的弹性模量可以再提高10%。15t%(重量)TiC/Ti-6Al-4V复合材料在538℃的蠕变速率比Ti-6Al-4V降低了约一个数量级，而持久寿命则增加了一个数量级。Cerme Ti复合材料具有高的硬度、较好的耐磨性、较好的抗疲劳性能、较高的使用温度，但是其室温塑性和断裂韧性偏低。其他颗粒增强钛基复合材料的拉伸性能见表14.108。
表14.108 颗粒增强钛基复合材料的拉伸性能
注：①基体成分：Ti-11.5Al-1.3Sn-1.6Zr-0.7Hf-0.5Nb-0.15Ru-0.25Si-0.22Ge，
②RS:快速凝固技术。
14.3.2.5 镁基复合材料
镁基复合材料的主要体系与性能见表14.109。Mg-Li合金基体复合材料及其性能见表14.110。
表14.109 镁基复合材料的主要体系与性能
表14.110 Mg-Li合金基体复合材料及其性能
14.3.2.6 铜基复合材料
铜基复合材料开发、研制和应用较少，常见的复合材料为SiCp/Cu，近年来又出现了采用Al2O3纤维作增强体的铜基复合材料。SiCp/Cu复合材料的性能见表14.111。
表14.111 SiC/Cu复合材料的性能
14.3.2.7钢结合金
钢结合金是以钢为粘结金属，以难熔金属化合物作为硬质相的结合材料，其组织特点是微细硬质颗粒均匀分散于钢基体中，它兼有硬质化物的硬度和耐磨性以及钢的强度和韧性。
(1)钢基体
作为钢结合金粘结相的钢种包括各种成分的碳素钢、合金钢、工具钢、高速钢、各种类型的耐热钢、不锈钢等，由于合金用途不同而不同。前苏联的TiC基钢结合金的钢粘结剂用钢号及主要成分见表14.112。国内也有人提出TiC基钢结合金的钢粘结剂的成分，见表14.113。
表14.112 前苏联的TiC基钢结合金的钢粘结剂用钢号及主要成分
表14.113 国内提出的TiC基钢结合金粘结剂的成分
(2)钢结合金的种类
钢结合金主要有TiC基钢结合金和WC基钢结合金两类，近年来又出现了几种新的钢结合金。 1) TiC和WC基钢结合金
TiC和WC都具有高的硬度和高的熔点，其具体性能见表14.114。 表14.114 TiC和WC的性能
2) TiCN基钢结合金
TiCN与TiC相比，虽然硬度较低，但耐磨性十分优异。日本已经开发了这种钢结硬质合金，这种新型合金具有均匀的显微组织，无偏析，合金化程度高。
3) TiN基钢结合金
TiN与铁素体间的摩擦作用小，其抗粘着能力比TiC更好。瑞典基于TiN开发出了一种新型钢结合金coronite，其组织是极细小（约0.1μm）的TiN颗粒均匀分布在科热处理的钢基体中。
4) TiB2/Fe-Mo复合材料
TiB2具有某些独特的物理化学性能，如极高的高温硬度、很低的密度和电阻率、良好的热传导率、很低的与金属粘着性和摩擦系数、很高的抗氧化性等。粘结剂选用Fe-36Mo最为合适。
5)其他硬质相基钢结合金
一些人还利用VC、Cr3C2、SiC及其混合物等作为硬质相制作钢结合金。
(3)性能
不同工艺制备的GT35钢结合金的性能见表14.115。
表14.115 不同工艺制备的GT35钢结合金的性能
。
14.3.2金属-非金属复合材料
14.3.2.1金属基复合材料的性能特征
金属基复合材料与一般金属相比，具有耐高温、高比强度、高的比弹性模量、小的热膨胀系数和良好的抗磨损性能。与聚合物基复合材料相比，不仅剪切强度高、对缺口不敏感，而且物理和化学性能更稳定，如不吸湿、不放气、不老化、抗原子氧侵蚀、抗核、抗电磁脉冲、抗阻尼，膨胀系数低、导电和导热性好。由于上述特点，使金属基复合材料更适合空间环境使用，是理想的航天器材料，在航空器上也有潜在的应用前景。
14.3.2.2金属基复合材料的研究与应用
表14.101 和表14.102简要概述了各类金属基复合材料在航空航天领域的应用概况。金属基复合材料(MMC)的研究始于20世纪60年代，美国和俄罗斯在航空航天用金属基复合材料的研究应用方面处于领先的地位。20世纪70年代，美国把B/Al复合材料应用到航天飞机轨道上，该轨道器的主骨架是采用89种243根重150g的B/Al管材制成，比原设计的铝合金主骨架减重145g。美国还用B/Al复合材料制造了J-79和F-100发动机的风扇和压气机叶片，制造了F-106、F-111飞机和卫星构件，并通过了实验，其减重效果达20%～66%。苏联的B/AL复合材料与80年代达到实用阶段，研制了多种带有接头的管材和其他型材，并成功地制造出能安装三颗卫星的支架。由于B纤维的成本高，因此自70年代中期美国和苏联又先后开展C/AL复合材料的研究，在解决了碳纤维与铝之间不湿润的问题以后，C/AL复合材料得到应用。美国用C/AL制造的卫星用波导管具有良好的刚性和极低的热膨胀系数，比C/环氧复合材料轻30%.。随着SiC纤维和Al2O3纤维的出现，连续纤维增强的金属基复合材料得到进一步发展，其中研究和应用较多的是SiC/AL复合材料。连续纤维增强金属基复合材料的制造工艺复杂、成本高，因此美国又率先研究发展晶须增强的金属基复合材料，主要用于对刚度和精度要求较高的航天构件上。美国海军武器中心研制的SiCp/Al复合材料导弹翼面已经进行了发射试验，卫星的抛物面天线、太空望远镜的光学系统支架也采用了SiCp/Al复合材料，其刚度比铝大70%，显著提高了构件的精度。
MMC对航天器的轻质化、小型化和高性能化正在发挥越来越重要的作用。
MMC在航空器上的应用也有很大潜力，英国研制了SCS-6/Ti的发动机叶片，大幅度提高了其承载能力和刚度，优化了气动载荷下的翼型。用SCS-6/Ti代替耐热钢制造的RB211发动机的压气机静子，可使该构件减重40%；采用SCS-6/Ti代替镍基高温合金制作压气机叶环结构转子，可是该部件减重80%；SiCf/Ti也可望代替不锈钢在F-22试验型飞机制作活塞杆。
表14.101 B/Al复合材料的应用
表14.102 其他MMC的应用背景
14.3.2.3 铝基复合材料的性能
(1)外加晶须或颗粒复合材料
表14.103和表14.104给出了常用铝基复合材料的性能。
表14.103 连续纤维增强铝基复合材料的性能
表14.104 晶须或颗粒增强AL基复合材料的体系和性能
(2)原位内生颗粒增强铝基复合材料
原位内生颗粒增强铝基复合材料及其性能见表14.105。
表14.105 原位内生颗粒增强铝基复合材料及其性能
14.3.2.4 钛基复合材料
与钛合金相比，钛基复合材料具有高比强度和热稳定性、高的弹性模量、高的抗蠕变性能、高的耐热温度和良好的耐磨性能。
(1)连续纤维增强的钛基复合材料
连续纤维增强的钛基复合材料及其力学性能见表14.106和表14.107。 表14.106 SCS-6纤维增强的钛基复合材料及其在不同温度的纵向拉伸力学性能
表14.107 SCS-6纤维增强钛基复合材料在538℃和650℃时的蠕变性能
(2)颗粒增强钛基复合材料
美国的Cerme Ti系列复合材料采用CHIP工艺（冷等静压+烧结+热等静压）制造，为含有不同含量的TiC、TiB2颗粒增强的Ti-6Al-4V复合材料。10%(重量)TiC/Ti-6Al-4V复合材料的断裂强度和弹性模量从室温到650℃比Ti-6Al-4V合金都提高了15%，TiC颗粒为20t%(重量)时复合材料的弹性模量可以再提高10%。15t%(重量)TiC/Ti-6Al-4V复合材料在538℃的蠕变速率比Ti-6Al-4V降低了约一个数量级，而持久寿命则增加了一个数量级。Cerme Ti复合材料具有高的硬度、较好的耐磨性、较好的抗疲劳性能、较高的使用温度，但是其室温塑性和断裂韧性偏低。其他颗粒增强钛基复合材料的拉伸性能见表14.108。
表14.108 颗粒增强钛基复合材料的拉伸性能
注：①基体成分：Ti-11.5Al-1.3Sn-1.6Zr-0.7Hf-0.5Nb-0.15Ru-0.25Si-0.22Ge，
②RS:快速凝固技术。
14.3.2.5 镁基复合材料
镁基复合材料的主要体系与性能见表14.109。Mg-Li合金基体复合材料及其性能见表14.110。
表14.109 镁基复合材料的主要体系与性能
表14.110 Mg-Li合金基体复合材料及其性能
14.3.2.6 铜基复合材料
铜基复合材料开发、研制和应用较少，常见的复合材料为SiCp/Cu，近年来又出现了采用Al2O3纤维作增强体的铜基复合材料。SiCp/Cu复合材料的性能见表14.111。
表14.111 SiC/Cu复合材料的性能
14.3.2.7钢结合金
钢结合金是以钢为粘结金属，以难熔金属化合物作为硬质相的结合材料，其组织特点是微细硬质颗粒均匀分散于钢基体中，它兼有硬质化物的硬度和耐磨性以及钢的强度和韧性。
(1)钢基体
作为钢结合金粘结相的钢种包括各种成分的碳素钢、合金钢、工具钢、高速钢、各种类型的耐热钢、不锈钢等，由于合金用途不同而不同。前苏联的TiC基钢结合金的钢粘结剂用钢号及主要成分见表14.112。国内也有人提出TiC基钢结合金的钢粘结剂的成分，见表14.113。
表14.112 前苏联的TiC基钢结合金的钢粘结剂用钢号及主要成分
表14.113 国内提出的TiC基钢结合金粘结剂的成分
(2)钢结合金的种类
钢结合金主要有TiC基钢结合金和WC基钢结合金两类，近年来又出现了几种新的钢结合金。 1) TiC和WC基钢结合金
TiC和WC都具有高的硬度和高的熔点，其具体性能见表14.114。 表14.114 TiC和WC的性能
2) TiCN基钢结合金
TiCN与TiC相比，虽然硬度较低，但耐磨性十分优异。日本已经开发了这种钢结硬质合金，这种新型合金具有均匀的显微组织，无偏析，合金化程度高。
3) TiN基钢结合金
TiN与铁素体间的摩擦作用小，其抗粘着能力比TiC更好。瑞典基于TiN开发出了一种新型钢结合金coronite，其组织是极细小（约0.1μm）的TiN颗粒均匀分布在科热处理的钢基体中。
4) TiB2/Fe-Mo复合材料
TiB2具有某些独特的物理化学性能，如极高的高温硬度、很低的密度和电阻率、良好的热传导率、很低的与金属粘着性和摩擦系数、很高的抗氧化性等。粘结剂选用Fe-36Mo最为合适。
5)其他硬质相基钢结合金
一些人还利用VC、Cr3C2、SiC及其混合物等作为硬质相制作钢结合金。
(3)性能
不同工艺制备的GT35钢结合金的性能见表14.115。
表14.115 不同工艺制备的GT35钢结合金的性能
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