連續纖維增強金屬基復合材料的研制進展及關鍵問題

王 濤， 趙宇新， 付書紅， 張 勇， 曾維虎， 韋家虎， 李 釗

(北京航空材料研究院先進高溫結構材料重點實驗室，北京100095)

連續纖維增強金屬基復合材料是利用高強度、高模量、低密度的硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳纖維與石墨纖維等作為增強體，與相應的金屬基體復合而成。其中增強纖維絕大多數情況下是作為承載組分，而金屬基體主要起黏結纖維、傳遞載荷、部分承載的作用。由于性能優良的連續纖維加入，使得復合材料具有輕質，比強度、比模量高，耐磨性強，耐高溫性能好，導電、導熱性好，抗疲勞，抗老化等優良的綜合性能，在先進武器、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。目前國內外研究機構和學者對連續纖維增強金屬基復合材料進行了大量的研究，本工作對其研究現狀、應用情況進行概括，對該類復合材料研制過程中的關鍵問題如界面問題、成型問題、制備工藝、性能等進行總結，并提出相應的研究方法和研究思路。

1 連續纖維增強金屬基復合材料的種類及其應用情況

1.1 纖維增強鋁基復合材料

目前已經成功應用于鋁基復合材料的連續長纖維有硼纖維、碳(石墨)纖維、SiC纖維、Al2O3纖維和不銹鋼絲等。纖維的加入顯著地提高了合金的比強度、比剛度、抗疲勞和磨損性能、高溫性能等。

1.1.1 硼纖維增強鋁基復合材料

硼纖維性能好、尺寸較大(φ=100～140μm)，使硼-鋁復合材料在制造工藝上較為簡單，是連續纖維增強金屬基復合材料中最早研究成功和應用的材料之一。硼-鋁復合材料的拉伸強度和彈性模量均明顯高于基體，這種復合材料的優越性在高溫時尤其突出，而且其疲勞性能優異。美國和前蘇聯的航天飛機中機身框架及支柱和起落架拉桿等都采用硼-鋁復合材料。如美國航天飛機的主艙框架就是用硼纖維增強鋁基復合材料制成，比鋁合金框架減重44%，產生了巨大的效益。硼-鋁復合材料還具有較強的中子吸收能力，用來制造廢核燃料的運輸容器和儲存容器可顯著減重。另外硼-鋁復合材料還可以制作移動防護罩、控制桿、噴氣發動機網扇葉片、飛機機翼蒙皮、結構支撐件、飛機垂直尾翼、導彈構件、飛機起落架部件、自行車架、高爾夫桿等部件［1］。

1.1.2 碳(石墨)纖維增強鋁基復合材料

碳(石墨)纖維密度小，具有非常優異的力學性能。碳-鋁復合材料最成功的應用是美國哈勃望遠鏡的兩個兼作波導管用的長為3.6m的長方形天線支架，此外還可用做人造衛星的支架、L頻帶平面天線、人造衛星拋物面天線、照相機波導管和鏡筒、紅外反射鏡等［2］。

1.1.3 SiC纖維增強鋁基復合材料

與硼和碳纖維相比，在較高溫度下SiC纖維與鋁的相容性較好。對于以鎢絲或碳絲作底絲經化學氣相沉積制得的碳化硅纖維，纖維上殘留的游離碳很少，含碳量較低，與鋁不易發生反應，在制造工藝上相對較為容易，是鋁基復合材料較好的一種增強物。SiC-鋁基復合材料主要用作飛機、導彈、發動機的高性能結構件，如飛機的3m長L型加強板，噴氣式戰斗機垂直尾翼平衡和尾翼梁，導彈彈體及垂直尾翼，汽車空調器箱，移動式橋的下桁鉉、主柱和г受壓管，小的重量輕的壓力容器和聚變反應器等［3］。

1.2 連續纖維增強鎂基復合材料

鎂基復合材料的主要特點是密度低，比強度和比剛度高，同時還具有良好的耐磨性、耐高溫性、耐沖擊性、優良的減震性能及良好的尺寸穩定性和鑄造性能等;但由于工藝復雜、價格昂貴，目前主要應用于航天及航空部門。鎂合金常用的連續增強體有碳纖維、硼纖維、Al2O3纖維、鋁-鈦纖維、鈦纖維等［4，5］。

碳纖維和鎂合金基體的潤濕性較差，使其在成型與制備上存在一定的難度。制備碳纖維增強鎂基復合材料需要解決的首要問題就是改善碳纖維與鎂合金之間的潤濕性，常用的最有效方法就是碳纖維表面涂層處理，利用溶膠-凝膠方法在碳纖維表面涂覆一層SiO2、化學鍍Ni等方式已經得到良好的實驗驗證［6～8］。碳纖維增強鎂基復合材料目前已經在航空航天的高精度空間結構材料、汽車工業以及軍工制造等領域中顯示出巨大的應用前景［9，10］，主要用作航天器結構材料如衛星天線的桁架結構、航天站的安裝板以及航天器的光學測量系統等［11］。以上應用多采用單向碳纖維增強鎂基復合材料。為了克服單向材料性能的各向異性等缺點，對二維織物結構鎂基復合材料也進行了初步的研究［12］，獲得了具有徑向和緯向熱膨脹系數對稱的復合材料試樣，但對其他性能未能進行深入研究。合金絲、Al2O3纖維增強鎂基復合材料起步晚，目前只是處于實驗室研制階段［13］。

1.3 連續纖維增強鈦基復合材料

纖維增強鈦基復合材料的發展已有30多年的歷史，美國、法國、英國、德國、日本等發達國家均投入大量的人力和物力對該復合材料進行了系統和深入的研究［14～18］。由于高性能增強陶瓷纖維的研制成功，使纖維增強鈦基復合材料的性能(比強度，比剛度)大幅度提高，與此同時，制造工藝日趨完善。制造成本降低，已在飛機發動機的壓氣機盤件中得到試用，大大地降低了發動機的重量，提高發動機推重比［19］。鈦合金常用到的成熟連續增強體主要是SiC纖維，其他如Al2O3纖維、金屬纖維、TiB2纖維等仍處于研制階段。

SiC纖維增強鈦基復合材料是鈦基復合材料研究最廣泛和深入的一種復合材料。SiC纖維通常與基體鈦合金發生反應，C和Si原子從纖維通過界面向基體擴散，Ti、A1、Nb等元素通過界面向纖維擴散，在纖維與金屬基體之間會形成多層反應產物。因此為了避免嚴重的界面反應，在纖維表面進行涂層處理。目前已商業化生產的SiC纖維表面均涂覆耐高溫碳層來保護纖維不開裂及減輕纖維與基體的反應。SiC纖維所增強的鈦合金種類有β型鈦合金(Ti-15V-3Cr，β-21s)、α+β型鈦合金(Ti-6Al-4V)、近α型鈦合金(IMI834，Ti6242)、鈦鋁金屬間化合物(TiAl，Ti3Al)等［20］。目前該類復合材料也得到了良好的應用，如美國國防部和NASA資助建立的SiC纖維增強鈦基復合材料的生產線，為單級直接進入軌道航天飛機提供機翼和機身的蒙皮、支撐衍梁、加強筋等構件［21］;羅-羅公司采用SCS-6/Ti-6-4復合材料制造超音速飛機蒙皮;美國懷特實驗室及美國空軍采用 SCS-6/Ti-6-4復合材料板及 SCS-6/Ti-22Al-23Nb復合材料用于宇航飛機和先進戰斗機的渦輪部件［22］。F-16戰斗機的腹鰭和加油口蓋板，B777客機、P＆W4084、4098發動機的風扇導向葉片和F/A-18E/F超級大黃蜂戰斗機的液壓系統分路閥箱均采用 SiC增強的金屬基復合材料制造。DWA公司已制備出SiCf/Ti的葉盤、葉環等典型部件，并進行了成功試車。20世紀90年代初，在IHPTET研究計劃下，AADC公司設計和實驗了XTC-16系列核心機的4級壓氣機的第3，4級采用碳化硅增強的鈦基復合材料整體葉環。其制造工藝為先采用普通的鈦合金鍛造成毛坯，然后加工出葉片，并在環內側加工出“V”形環槽，在槽內裝入由碳化硅纖維增強的鈦合金插入件，再用普通鈦合金覆蓋在插件上，熱等靜壓，使之復合成一體。該整體葉環轉子的質量大大減輕，如第3級整體葉環轉子的質量只有4.5kg左右，而用鎳基合金制造的同樣轉子(非整體葉環)的實際質量為25kg［23］。另外SiC纖維增強鈦基復合材料在發動機機匣、低壓軸、壓氣機轉子葉片等部件上得到應用［24～26］。

1.4 連續纖維增強鎳基復合材料

鎳基復合材料具有良好的高溫強度、抗熱疲勞、抗氧化和抗熱腐蝕性，是取代傳統鎳基高溫合金制造航空、航天、艦船及工業燃氣渦輪發動機中重要受熱部件的新型金屬基復合材料。目前鎳基復合材料的研制處于初始階段，尚未見應用報道，但其應用前景已得到國內外航空、航天界的關注。增強纖維與鎳基體的界面反應以及熱膨脹系數不匹配問題是目前的研究重點［27～29］。從目前的研究情況來看，主要的強化纖維有SiC纖維、碳纖維、Al2O3纖維、金屬纖維等。

SiC纖維與鎳基合金存在較嚴重的界面反應，另外SiC與 Ni合金的線膨脹系數分別為4.7× 10-6℃-1(25～2127℃)，15.6×10-6℃-1(25～800℃)，兩者的熱膨脹系數存在較大差異。因此SiC纖維必須進行涂層處理才能解決界面反應、緩解界面應力等問題。國內東北大學與中科院金屬所對SiC纖維表面涂層進行了較為系統的研究［30，31］，采用高溫氧化、電弧離子鍍以及溶膠-凝膠等方法對纖維表面涂覆處理制備出C-A12O3，SiO2-A12O3復合涂層，通過真空熱壓法制備出SiCf/Ni復合材料。經過真空熱處理后，復合涂層很好地保護了纖維的完整性，涂層中的A12O3層與基體Ni界面結合良好，有效地阻擋了SiCf/Ni界面處元素互擴散。

用鎢絲、釷鎢絲增強鎳基合金可以大幅度提高其高溫持久性能和高溫蠕變性能，一般可以提高100h持久強度1～3倍，主要用于高性能航空發動機葉片等重要部件。另外Hu W［32］等采用熱壓工藝制造A12O3纖維增強Ni-Al金屬間化合物基復合材料。在熱壓過程中發生Ni原子向纖維極弱的擴散，在界面的局部區域形成5～20nm厚的薄膜。

2 連續纖維增強金屬基復合材料的關鍵問題

金屬基復合材料是在基體金屬基礎上發展起來的，他們能夠克服基體金屬的一些弱點。由于各種金屬本身物理性能和化學性能的不同，使得不同金屬基復合材料的研制和應用情況存在較大差異，但是這些材料在研究過程中所采用的方法相近，因此研究的熱點和重點具有相似性。經過對多種金屬基復合材料研制過程的概括，其研究重點和熱點主要包含復合材料的制備技術、界面研究、性能研究和加工技術等幾個方面［33～35］，下面對各個方面進行簡單的介紹。

2.1 連續纖維增強金屬基復合材料的制備技術

傳統的連續纖維增強金屬基復合材料的制備方法可以分為三大種類，分別為固態法、液態法和涂層熱壓法。復合材料的制備方法對復合材料的性能具有很大的影響，選取制備方法的原則是不造成增強相和金屬基體原有性能的下降，避免不利的界面反應發生，同時考慮方法的經濟性。

2.1.1 固態法

將金屬粉末或金屬箔與纖維按設計要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再經加壓、加熱，將金屬基體與增強物復合黏結在一起，形成復合材料。整個固態復合工藝過程處于較低的溫度，金屬基體與增強相均處于固態，各組成成分間的界面反應不嚴重。固態法可以細分為箔-纖維-箔法(FFF)、絲材/纖維/絲材法、粉末布法、脈沖通電熱壓法(PCHP)。

FFF法是制備纖維增強鈦基復合材料最原始的方法，首先用金屬絲將增強纖維編織成蓆子，然后再將金屬箔材與其進行箔材/纖維/箔材復合后熱壓制成復合材料。該方法示意圖如圖1所示。美國Textron特種材料公司用FFF法成功地制造出 SCS6-SiC/Ti-24Al-11Nb金屬間化合物基復合材料。FFF法主要難點在于基體合金箔的制造，這也是限制其廣泛應用的瓶頸。因此美國FMW公司在該工藝的基礎上進行技術改進，用鈦絲材來代替鈦箔，使制造成本降低80%，并且改進后的工藝已制成GE發動機F110和F119的矢量噴嘴及連接件［17］。粉末布法和脈沖通電熱壓法(PCHP)目前處于實驗室研究階段［36］，未見應用報道。

圖1 箔材/纖維/箔材(FFF)復合法制備纖維增強金屬基復合材料的示意圖［17］Fig.1 Sketch of composites preparation by FFF

2.1.2 液態法

液態法是指基體金屬處于熔融狀態下與固態增強材料復合在一起的方法。液態法所適用的金屬基體主要為較低熔點的材料，如鎂、鋁和鋅合金等，對于熔點高的鈦基和鎳基復合材料應用較少。液態法可以分為液態滲透法、壓力鑄造法等。

液態滲透法是先把纖維增強相預制成型，然后將基體熔體傾入，在無壓力或小壓力下使其浸滲到纖維間隙而達到復合化的目的。液態滲透法通常是在真空或有惰性氣體保護下進行的。由于滲透過程中壓力較低，該方法可以生產大的復雜近凈成型零件，不會產生預制塊運動、纖維損傷等問題。該方法中纖維與液態金屬間的潤濕性是至關重要的，通過在基體中添加特定的合金元素及纖維表面改性可以很好地控制兩者之間的潤濕性和界面反應。另外，金屬液在連續纖維預制體中的補縮問題是凝固過程中的又一重要問題［37］。凝固補縮是減少縮松及改善復合材料性能的重要途徑，纖維束間距、束內纖維間距、溫度梯度和凝固壓力均對補縮具有重要影響［38］。

壓力鑄造法又稱擠壓鑄造、液態模鍛、鍛造法等。其原理是將編制好的增強纖維預制體放入到鑄型中，然后向鑄型中澆入金屬液體，而后對固液混合體施以高壓，使金屬滲入預制體后凝固為致密的復合材料，其示意圖如圖2所示。該方法的缺點是容易造成纖維預制體變形，纖維受損，難以實現零件的近凈成型［39］，而且目前只能鑄造中小型鑄件。

圖2 壓力鑄造制備復合材料示意圖Fig.2 Sketch of composites preparation by pressure casting

2.1.3 涂層熱壓法

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涂層法是將基體材料沉積或涂覆到增強纖維上，然后將帶基體的纖維進行復合，從而制成致密的復合材料。應用最為廣泛的是物理氣相沉積法(PVD法)，該方法是指首先利用PVD法在單根纖維的表面涂覆基體合金，然后將涂覆好的單根纖維集束在一起，利用熱等靜壓或熱壓等方式固結成型。該方法可以在纖維上涂覆任何金屬基體，如鈦合金、鎳合金、鋁合金、鎂合金、銅合金、鋅合金等等，對高熔點金屬表現出更具潛力的應用前景［40］。物理氣相沉積法又包含多種方法，如三極管控制濺射PVD法、磁控濺射PVD法等。PVD工藝參數的選取是涂覆質量的關鍵，也是成功制備復合材料的前提條件，針對不同的基體合金探索最優的濺射功率、濺射壓力、濺射溫度、基體涂層的致密度和組織結構是該方法研究的必經之路。PVD方法較固態法省去了基體合金的制備工序，一方面避免了低塑性合金箔的研制，另一方面較粉末冶金法大大提高了經濟效益;另外PVD法較液態法的應用范圍更為廣泛。對于鈦、高溫合金等，其熔點非常高以至于以這類合金為基體的復合材料無法采用液態法進行制備，較高的加熱溫度造成了增強纖維的破壞，從而嚴重影響復材的各項性能。因此該方法是鈦基、鎳基復合材料的優良制備方法，對于航空發動機用復合材料的發展具有重要的戰略意義。另外PVD法的另一優點是可以精確控制涂覆的金屬化學成分和纖維體積分數，涂層雜質較少。該方法得到了較廣泛的應用。如德國宇航中心利用該方法制備出SCS-6/Ti-6242復合材料，纖維含量達到35%，材料的使用溫度達到基體最高使用溫度540℃［41］。

2.2 連續纖維增強金屬基復合材料的界面研究

連續纖維增強金屬基復合材料所承受的載荷是要通過界面由基體傳遞到纖維上，纖維/基體之間界面的性質包括結合狀態和強度、界面的殘余應力狀態等對復合材料性能具有非常大的影響，因此金屬基復合材料的界面問題是復合材料研制過程中的重點和熱點。

2.2.1 纖維與基體間界面反應研究

(1)纖維與基體間界面反應的熱力學和動力學研究

增強相與基體間良好的物理和化學相容性是金屬基復合材料設計的基本要求。物理相容性主要集中于增強相與基體之間的熱膨脹系數研究，熱膨脹系數相差較大時，界面處產生較大應力集中，有可能導致裂紋的產生，甚至開裂。在化學相容性方面，通常選用最小自由焓原理作為判斷復合材料中兩組元之間在一定溫度，一定環境下是否發生化學反應［42］。另外［43，44］還可以利用 Gaussian-98量子化學計算程序求解薛定諤方程，求得復合材料界面反應的熱力學及動力學數據，建立反應熱力學和動力學模型，從而為纖維的選取提供理論依據。

(2)纖維與基體間界面的微觀結構及反應機理研究

基體材料與增強體間比較理想的界面均是以化學方式相結合的，因此反應機理和微觀結構是界面研究的最基本問題。當前XRD、SEM、TEM、EDS等先進的測試手段被廣泛地應用到界面微觀結構的觀察，界面的相組成、元素分布、界面厚度變化規律等得到揭示。界面反應的過程是合金元素發生擴散的過程，因此界面反應擴散是界面反應機理研究的一個重要方面。目前界面反應擴散的研究［45，46］主要包括擴散模型的建立、擴散熱力學和動力學研究、界面反應擴散控制機理、擴散障礙涂層研究等。其中大多數擴散研究集中在各反應層的熱力學計算、擴散通道、反應順序的推斷，較多地從整體反應層方面討論了界面反應層的生長動力學，而對各個界面反應層的生長動力學及各反應層中的微觀擴散機理研究較少。

(3)纖維表面改性處理研究

金屬基復合材料所用到的增強纖維大多為陶瓷材料，如碳纖維、SiC纖維等，一方面纖維與基體浸潤性可能較差，造成復合材料界面黏合性能差;另一方面纖維與基體合金在高溫下有可能發生劇烈的化學反應，造成纖維的損傷，從而影響復合材料的性能;再者纖維與金屬基體熱膨脹系數存在較大差異時，界面處經常產生應力集中，造成復合材料性能的下降。因此纖維的表面改性處理是研制高性能金屬基復合材料的重要研究內容。對于金屬基復合材料的增強纖維，其表面改性處理主要是通過對纖維進行表面涂層涂覆，涂層種類包含金屬、陶瓷等，涂層結構有單層、雙層和復合涂層。例如 Brendel A等［47］采用磁控濺射方式在表面富C的SiC纖維表面鍍鈦層，研究了中間涂層鈦對SiC纖維增強的銅基復合材料界面強度的影響機理，發現中間層鈦與纖維表面C發生化學反應生成TiC，增強了界面。

(1)影響界面強度的因素

影響界面強度的主要因素有界面反應程度、界面熱殘余應力、界面反應物、Possion膨脹、纖維排布方式、制備工藝、纖維涂層性質以及基體性能等因素。當界面層中存在阻擋界面反應的產物時，界面強度升高程度減弱;Possion膨脹越大，復合材料受壓時，纖維承受的徑向壓力越大，從而界面強度越高;不同纖維排列方式導致復合材料界面產生不同殘余應力，從而影響界面強度;不同制備工藝下，界面反應嚴重程度不同，從而影響界面強度［48］。

(2)界面強度的測試方法

目前比較常用的測定界面強度的方法有拉拔法、頂出法、單根纖維破斷法、微脫粘法、微壓痕法等［49］。拉拔法是指先固定復合材料基體，然后沿著纖維軸向持續增加非常小的力拉伸纖維，當纖維剛好從拔出轉入斷裂時，記錄下纖維脫粘瞬間的力F，測出埋入纖維的長度L和纖維直徑d，然后由公式(1)計算纖維的脫粘力τ。

纖維頂出法是新近出現的測量復合材料界面強度的原位測試技術，已成功地運用于樹脂基、陶瓷基和金屬基復合材料。纖維頂出實驗曲線及示意圖如圖3所示。在纖維末端用圓柱壓頭將纖維從基體中頂出，記錄下載荷-位移曲線。從實驗曲線可以看出初始載荷隨位移呈線性增加，當載荷達到Pi，直線的斜率降低，表示此時界面開始脫粘。當載荷繼續增加到Pmax，表示界面剪切應力達到最大值，界面完全脫粘，此后由于界面的阻力僅是摩擦力Pfr，載荷開始直線下降。由實驗曲線可以獲取2個重要的參數Pmax和Pfr。然后根據公式(1)計算出界面剪切強度τp和平均摩擦應力τfr。

圖3 頂出法實驗示意圖(a)及典型頂出實驗曲線(b)Fig.3 Sketch of the push-out test(a)and typical push-out test curve(b)

對比拉拔法與頂出法可知，拉拔法原理簡單，但樣品制備技術復雜，當復合材料界面間黏結很強，纖維直徑很小，埋入的纖維長度必須非常短，否則纖維未拔出已斷裂。另外，纖維拔出實驗測量結果由于受纖維嵌入的長度、纖維外露長度測量準確度等因素影響，具有很大的分散性。纖維頂出實驗的試樣可以直接從實際復合材料中截取，所獲得的結果更接近真實界面剪切強度。

(3)界面強度的數值模擬技術

數值模擬技術評定界面強度主要用有限元法模擬纖維擠出或者拔出實驗，然后根據界面失效判據獲取界面剪切強度。在數值模擬計算界面剪切強度中，界面模型和界面失效準則選用非常關鍵。目前界面模型有彈簧單元模型、界面層模型、內聚力模型等［50］。Nimmer［51］等基于有限元方法分析了界面黏結中殘余應力對界面分離的影響，基于界面應力和界面位移函數關系的黏結帶模型在弱界面黏結的復合材料細觀力學分析中取得了令人滿意的結果。

2.3 連續纖維增強金屬基復合材料性能研究

金屬基復合材料集合了基體合金和增強相兩者優良的性能，存在質輕、高強、耐高溫、塑性好等優點。對復合材料力學性能的深入研究可以增進對其強化機理、失效機制的了解，為復合材料后續加工提供理論依據和實驗參考。

(1)蠕變性能

對于一般金屬材料而言，材料的內部位錯滑移及攀移的難易程度決定了材料的高溫蠕變性能，而復合材料的蠕變原理有別于基體合金。復合材料蠕變強度的提高包括直接和間接的因素，直接強化可歸因于基體與增強相之間的載荷傳遞，通過這種載荷傳遞可導致基體中應力的重新分布，并因此減小基體所承受的有效蠕變載荷。而間接強化則與增強纖維或制備工藝所引起的基體合金的微觀組織結構變化有關。在復合材料的間接強化中，潛在的組織因素主要包括位錯分布、時效速率、組織分解和基體合金成分變化等。另外金屬基復合材料的蠕變速率較沒有強化的基體合金小得多，蠕變激活能遠大于基體的自擴散激活能，表現出更高的抗蠕變能力。有研究［52］報道鎂基復合材料在新興高新技術領域中的應用潛力要高于傳統金屬材料和鋁基復合材料，但由于鎂基復合材料的抗高溫(溫度超過120℃)蠕變性能較差，限制了其應用，因此鎂基復合材料的蠕變性能研究成為當前該領域的研究熱點。Sklenicka V等［53］人對Al2O3纖維/AZ91復合材料的蠕變性能和組織演化進行了研究。20%vol-Al2O3纖維/AZ91復合材料的抗蠕變性能高于AZ91合金，其最低蠕變速率比同條件下AZ91合金低3個數量級，基體與增強相間的載荷傳遞是該復合材料抗蠕變性能提高的主要原因。另外在較高溫度下使用的金屬基復合材料，如鈦、鎳基復合材料等的蠕變性能是其應用研究的主要指標，因此也成為該類復合材料的研究熱點，Krishnamurthy［22］等人研究了熱處理工藝對SCS-6/Ti-22Al-23Nb(纖維體積分數為35%)蠕變性能的影響，發現熱處理可改善復合材料的蠕變性能，固溶溫度低于1160℃時，纖維涂層完好無損，復材縱向拉伸強度不受影響;當時效溫度處于O相形成溫度范圍內時，O相體積分數的增大造成復材蠕變強度的增加。

(2)疲勞性能

根據德國科學基金會的BAM-DLR計劃對纖維增強金屬基復合材料的研究顯示，復合材料應用的主要障礙是復雜的疲勞損傷問題。因此疲勞性能也成為復合材料眾多性能中的研究重點。目前主要從實驗研究、數值模擬和理論分析三方面對復合材料疲勞性能、疲勞斷裂機理、疲勞壽命等進行研究。Bettge［54］等人對SCS-6/Ti-6242復合材料及其基體的等溫和熱機械疲勞進行研究得出，該復合材料在100～550℃的疲勞強度均在1000MPa以上，并且低溫疲勞強度高于高溫狀態下的疲勞強度。通過疲勞顯微裂紋觀察得出，高溫狀態下疲勞裂紋的表面氧化是導致疲勞裂紋擴展的主要原因。自20世紀80年代以來，纖維增強金屬基復合材料熱機械疲勞模型得到了長足發展，從總體上可以分為基于細觀力學方法的軸向性質模型和基于斷裂與損傷理論的橫向性質模型［55］。

2.4 連續纖維增強金屬基復合材料的成型與加工技術

2.4.1 塑性成型技術

連續纖維增強金屬基復合材料零件的預成型及后續精加工成本高昂，同時循環載荷下復合材料的損傷容限有限，均增加了復材零件的制造難度。因此復合材料新型的塑性成型技術已逐漸引起人們的關注。由于增強纖維的連續性和整體性導致了該類復合材料塑性變形的困難，目前連續纖維增強金屬基復合材料的塑性成型方法有超塑性成型、蠕變鍛造、斷裂成型等。其中以超塑性成型研究較為深入［56］。通常超塑性成型時纖維/基體界面處可能出現的三種缺陷:變形時當界面應力超過界面強度時可能出現由于纖維/基體界面分離引起的I型缺陷;由于纖維與基體的不完全結合而發生分離引起的Ⅱ型缺陷;Ⅲ型缺陷是兩個鄰近纖維之間的空間橋接引起的。日本的研究人員對SCS-6/SP-700鈦基復合材料的超塑性進行了研究，發現:I型缺陷的存在與變形時最大流變應力有很大關系，超過臨界應力18MPa時，I型缺陷隨最大流變應力的增大而快速增多;Crossman橫向蠕變變形模型可應用于SCS-6/ SP-700的橫向超塑性變形;超塑性變形的SCS-6/ SP-700中形成空洞的臨界應力可能取決于纖維/基體的界面強度。目前連續纖維增強金屬基復合材料的塑性成型技術仍然處于初始階段，對成型過程中材料的變形特性、變形機理和變形缺陷等未能開展

深入系統的研究。

2.4.2 熱處理技術

連續纖維增強金屬基復合材料的熱處理難度在于兼顧基體合金和增強纖維，使兩者及兩者界面性能達到最優。復合材料熱處理制度的選擇對其應用具有決定性作用。Krishnamurthy等［22］人研究發現熱處理可以改善復合材料橫向蠕變性能，對SCS-6/ Ti-22Al-23Nb(體積分數為35%)進行超轉變固溶處理時效后，材料的橫向蠕變性能得到改善，而縱向拉伸強度不受影響，原因是熱處理不會對纖維涂層產生負面影響，復合材料中O相體積分數的增大是造成抗蠕變能力提高的主要原因。

2.5 纖維體積分數及排布方式對復合材料性能的影響

纖維的體積分數和排布方式對復合材料的性能、殘余應力、致密化等具有決定性作用。通常纖維增強復合材料的斷裂強度σo、彈性模量Eo與各組分材料性能關系為:

式中:σo和Eo分別為復合材料的強度和彈性模量;

σf和Ef分別為纖維的強度和彈性模量;

σm和Em分別為基體的強度和彈性模量;

Vf為纖維體積分數;K1和K2為常數，主要與界面強度有關。

研究發現［57］復合材料的強度先隨著纖維體積分數的增大而減小，當超過某一體積分數后，復合材料的強度才開始增大。他們認為在纖維增強復合材料中存在一個最小的體積分數，當復合材料體積分數超過該值時，材料的斷裂由多重纖維斷裂方式向同時斷裂方式轉變。當體積分數低于該值時，復合材料的斷裂主要取決于基體，此時基體中纖維的存在就像許多小孔，隨著纖維體積分數的增加，這些小孔起著惡化復合材料性能的作用;當體積分數超過該值后，復合材料的斷裂主要取決于高強度、高彈性模量的纖維，復合材料的強度將超過基體的強度，達到強化基體的效果。

復合材料中常見的纖維排列方式有四方排列、四方對角排列和六方排列。利用有限元技術對纖維排列方式進行研究成為近年來的研究熱點［58］。Masaki Hojo［59］等利用有限元模擬技術對這三種排列方式的復合材料的界面正常應力狀態(Interfacial normal stress)進行了研究，發現纖維排列方式對纖維一側界面徑向、軸向和周向殘余應力均有較大的影響，其中纖維六方排列時界面殘余應力沿周向分布均勻，且周向殘余應力小，不易在界面形成徑向裂紋。

3 展望

經過近幾十年的研究和發展，連續纖維增強金屬基復合材料在基礎理論、制備工藝、性能水平等方面有了很大的進步，部分材料得到了良好的應用。連續纖維增強金屬基復合材料以其優良的力學性能表現出良好的應用前景。但是，與傳統的金屬材料相比，該種復合材料的研究水平和實際應用相差甚遠。復合材料中的界面問題仍是其應用的瓶頸之一，同時制備工藝與性能的不穩定也制約其工業化應用。鑒于此，今后連續纖維增強金屬基復合材料研究應注重以下幾個方面。

(1)繼續深入對復合材料界面的研究。從纖維的表面改性、纖維與基體的相容性和潤濕性、界面反應、界面強度等方面入手，解決界面薄弱性問題。

(2)優化連續纖維增強金屬基復合材料的制備工藝。創建工藝可行性評估體系，加強工藝理論研究，將制備過程與計算機模擬技術有機結合，縮短研制周期，降低制備成本，推動其工程化應用。

(3)完善復合材料的損傷評價體系。針對纖維的斷裂、纖維/基體的分離、纖維的滑動和拔出、基體裂紋等復合材料失效表觀，重點研究裂紋形核、裂紋擴展、斷裂機理和壽命預測，為復合材料的實際應用提供參考依據。

(4)拓展連續纖維增強金屬基復合材料的成型和加工技術。減少成型和加工過程中復合材料的損傷，確保零件質量，降低零件的制造成本，為其產業化生產奠定基礎。

(5)開展連續纖維增強金屬基復合材料的質量過程控制技術研究。從產品質量保證工藝設計、產品質量信息采集、質量信息數據后續處理、現場加工制造過程等方面完善批量產品加工質量過程控制技術。

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