[科普中国]-硼-铝复合材料

硼-铝复合材料用硼纤维或带保护涂层的硼纤维增强的铝或铝合金，硼纤维的体积含量一般约为45%~55%。比重低，机械性能高。单向增强的硼-铝复合材料纵向拉伸强度随工艺与原料不同约为1.2~1.7GPa，弹性模量约为200~240GPa。纵向比弹性模量和比强度分别约为钛合金硬铝、合金钢的3~5倍和3~4倍。疲劳性能好，400℃以下仍有较高强度，已应用于涡轮喷气发动机风扇叶片和航空、宇航飞行器及人造卫星结构件。采用热压扩散结合法制造板材、型材及形状较复杂的零件；也可以使用连续铸造法制造各种型材。为避免铝与硼的有害反应硼纤维的保护涂层常为碳化硅和碳化硼。

研究内容复合材料的一个主要目标就是应用像硼那样极高强度的共价结合纤维与适合于结构制造和应用的基体来克服这些限制。而铝则是被选用最广的基体材料。关于硼-铝复合材料的研究主要包括以下几个方面的内容:

(1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中显得尤为重要。

(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。

(3)改进硼-铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降低。1

增强纤维作为结构应用来说，选择复合材料组元的主要目标是高比模量和高比强度，硼-铝复合材料因此在研究与发展上受到了很大的重视。对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复合材料。玻璃纤维强度较高价格低廉，但它的模量低易与铝起反应。氧化铝纤维的比模量和比强度较低且价格昂贵。碳化硅纤维与铝的反应比硼小，并已作为硼纤维的涂层使用，但其密度比硼高30%，且强度较低。高模量石墨纤维似乎很有吸引力，但它以纱线形式出现却是一个严重缺点，因为用固态制造方法很难使金属渗入为数一万根的纤维束中，而熔融的铝合金又会与纤维起剧烈反应。2

基体硼纤维选择铝合金作为基体是由于铝合金具有良好的综合性能。所谓良好的综合性能是指良好的结合性能，较高的断裂韧性，较强的阻止在纤维断裂或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较高的强度等。对于高温下使用的复合材料，还要求基体具有较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊，而对于某些应用还要求基体能采用复合蠕变成型技术。普遍使用的铝合金有变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝等。这些铝合金并不完全符合硼纤维对金属基体的要求，但某些合金已得到了成功的使用，这其中最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合材料。用铝箔和等离子喷涂的预制合金粉制造复合材料时，使用过多种变形铝合金。2

铝基复合材料的制造工艺复合材料的制造包括将复合材料的组分组装并压合成适于制造复合材料零件的形状。常用的工艺有两种，第一种是纤维与基体的组装压合和零件成型同时进行；第二种是先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。前一种工艺类似于铸件，后一种则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。

制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组分的组装压合和零件层压。大多数硼-铝复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。前述的两种工艺具有十分相似的制造工艺，这就是把树脂粘合的或者是等离子喷涂的条带预制品再经过热压扩散结合。2

本词条内容贡献者为:

侯传涛 - 副教授 - 青岛大学