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一文全面了解碳纤维增强金属基复合材料的研究现状（一）金属铝基复合材料

2023-06-19 来源：碳纤维及其复合材料技术浏览数：199

　　摘要　　　　毫不避讳地说，现代复合材料科学始于金属基复合材料（metal-matrix composites，MMC）。然而，这些最早诞生的

　　摘要

　　毫不避讳地说，现代复合材料科学始于金属基复合材料（metal-matrix composites，MMC）。然而，这些最早诞生的复合材料后来却被碳纤维增强聚合物（CFRP）所取代。与此同时，陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites，CMCs) 和碳-碳复合材料（carbon–carbon composites，CCC）等其他一些碳纤维复合材料也得到了迅速发展，并成功地应用于某些领域。

　　就全球技术影响而言，CFRP绝对占据主导地位，但是在许多应用中CFRP却无法取代金属，其原因有两个：第一，聚合物的使用温度有限；第二，聚合物基复合材料的断裂韧性相对较低。CMC和CCC主要用于特定应用领域，例如燃气涡轮发动机的叶片、热交换器、医疗植入物、热保护结构和制动器等。

　　未来10年或20年，碳纤维增强金属、基于难熔金属和高熵合金的高温复合材料有望成为航空航天材料和其他技术领域的下一次飞跃，正如几十年前CFRP推动这些技术领域的发展一样。碳纤维/金属基复合材料（CFMMC）在未来的金属基复合材料中占据着特殊的地位，因为（i）各种具有不同性能的碳纤维CFMMC已经被开发出来，有些仍在开发中；（ii）CFMMC的制造工艺、微观结构和机械性能方面的丰富知识已经积累起来，为人们在结构材料领域经验提高奠定了基础。

　　本系列专题文章主要回顾了铝基、钛基和镍基复合材料研究进展，在本文中首先讨论了金属铝基复合材料研究现状。

　　自从碳纤维出现以来，便立即引起了金属基复合材料领域研究的关注，第一种基体材料就是铝。碳纤维/铝基复合材料的成为CFMMC领域研究热点。随着时间的推移，人们对这类复合材料的兴趣已经从结构应用转向高导热性很重要的应用。在下文中，C–Al复合材料的本质将略有提及，因为我们将关注机械性能对复合材料结构应用的重要性。

　　碳纤维/铝基复合材料的主要问题为碳-熔融铝的相互作用导致碳化铝Al4C3的形成。充满缺陷的碳化物层导致纤维强度下降，而碳化物层厚度随着时间的推移而增加，复合材料强度下降，如下图1所示，该图通过在800°C–36 MP–90 s下压力铸造得到的碳纤维/纯铝基复合材料，然后在600°C下热处理制备得到，纤维体积分数为14%，加热60小时后，约10%的碳纤维转化为碳化物。

　　图1 碳纤维/铝基复合材料的强度与600°C退火时间的关系

　　关于碳化铝对复合材料强度影响的最有趣的数据可能是由Portnoi等人发表的。研究人员通过在670至760°C的温度下压力铸造1分钟来制备复合材料。通过改变铸造温度会导致碳化物含量的变化，进而影响复合材料强度的变化（图2）。

　　图2 碳纤维/铝基复合材料的弯曲强度与界面处碳化物相含量关系，其中纤维体积分数为46%

　　注意，复合材料的强度随着碳化物体积分数从约0.01增加到约0.03而增加。碳化物含量的进一步增加导致复合材料强度的降低。这可以通过纤维-基体界面的相应变化来解释。铝熔体不会润湿碳，因此短时间的熔体-碳接触会产生一层薄的碳化物层，这为纤维-基体界面提供了强度；但是充满缺陷的厚碳化物层导致纤维退化和界面强度降低。

　　部分研究人员针对M40J基高模碳纤维和纯铝基体复合材料中碳化物界面的形成进行了细致的研究，他们通过在750°C–25 MPa–10 min条件下采用压力铸造制备了试样。发现由于碳快速扩散到熔体中，纤维表面缺陷上会出现碳化物夹杂。碳化物夹杂的生长导致相邻纤维之间形成脆性桥。纤维团簇降低了复合材料的强度。