金屬復合材料概述

蘇曉瞳

（遼陽職業技術學院，遼寧 遼陽 111004）

新型的民用飛機和舊型飛機有很大區別。特點就是復合材料被大量并且非常大面積的應用到了飛機各個部分上。通過查閱了大量的資料和文獻，我們不難發現復合材料的發展現在已經發展的非常的迅速了，它不僅被應用在主承力結構而且還應用在復雜曲面結構上。其中復合材料用量從4%逐漸變成了50%。復合材料在空客A350上的大量使用就是一個很有代表性的例子。復合材料相比于傳統材料有其自身的優勢：能夠減輕質量，還能延長使用的壽命，降低維修成本，還能夠讓機艙內的濕度變得很高等等，這將來都將成為一種流行趨勢。

1 國際復合材料應用情況

我們從國際上看，在20世紀90年代一直到現在很多國家都已經進軍復合材料這個領域了，它們已經發起很多的研究。目的是想要通過把材料進行改變后把成本降低，同時加強工藝和優勢。例如，在軍事制造業方面。在美國，正在研究低成本的復合材料計劃簡稱CAI。目的就是把航空的材料成本降到最低，目前因為復合材料的使用，成本可以降低50%，實施的對象是F35戰斗機并取得了成功。不僅僅是美國，整個歐洲的空中客車集團包括法、英等39個國家聯合制定了TANGO計劃，目的就是改變機身結構的性能，使之可以大規模的產業生產及實踐。這一計劃始于2000年4月1日,目標是減重20%,降低成本20%,總預算為8491萬歐元[1]國外研究的重心一般都會放在軍用飛機還有戰斗機上，如在1990年美國已經率先研究出F-22，它的復合材料是樹脂基的而且用量已經高達25%，它應用的范圍也是非常的廣泛有機翼蒙皮、框梁壁板等。成型工藝技術也十分的高端[2]。除此之外俄羅斯也已經研制出S-37戰斗機名叫“金雕”，它也是運用了復合材料使得承重量增加了很多，使用年限也是增加了幾倍，同時成本也降低了很多超過一半。同時又能滿足降低紅外熱輻射和雷達反射截面的隱身要求,大大改進了飛機的綜合作戰性能。隨著時間推移法德一起合作研究出了PAH-2Tiger武裝直升機，它的復合材料用量更多，應用的部位也是更加的廣泛，甚至到了垂尾。美國最新研制的輕型偵察攻擊直升機RAH-66,具有隱身能力,復合材料用量更是高達機身結構質量的51%左右。綜上所述美國在復合材料的使用上是高于其他各國的。

以上所闡述的都是復合材料在軍事上的應用，相比于軍用，復合材料在民航領域的應用起步還是相對較晚的，是從20世紀40年代開始的。法國利用了GFRP透波性好的特點來制造機載雷達罩。之后美國研制出了第一架全塑飛機，并已經成功升天。它用GFRP制作了飛機的大部分的零件。這一技術讓飛機的質量降低了很多，因此飛機的承載力變大了。法國和意大利聯合研究出ATR-72客機，其中符合材料的應用量已經達到20%，達到了軍事飛機的使用量的水平，它主要應用在機翼部分，還不是特別的廣泛。歐洲的A-300空中客車系列已經發展很多年了，從1970年開始就已經利用復合材料了只是3%，經過30年后用量已經增加到20%左右。現在最新的A380飛機在復合材料的用量又增加了兩個百分點。以上可以看出復合材料使用的比例逐年增加。美國研究的B-7E7飛機上的用量已經高達50%。這已經是創紀錄了。幾乎主要的結構都可以看見復合材料的蹤跡[3]。

2 國內復合材料應用情況

中國航空方面對復合材料的研究起步相對要晚一些，雖然中國航天方面已經形成了自己的體系，但在復合材料應用的方面與國外的應用情況還是有一定的差距的，因此我們可能有很多材料是需要依賴國外進口的方式才能夠應用到我們自己國家的飛機上，這也很大的影響了我們中國航空航天領域的發展，加大了我們的制造成本。因此我國對航天制造技術越來越重視也加大了投入，培養各類人才提高他們的制造技術，包括總體布局設計、選材以及制造一體化系統。

復合材料有優點，也有缺點，由于我們所研制的是全新的材料，也是全新的生產工藝，結構和技術也同樣是全新的，沒有前人的引領有一定的風險性。我們過度地相信這種全新的材料，波音B787研制過程中遇到了前所未有的難題，在機身整體成型上浪費了很多時間。因此，我國在研制大飛機時不要盲目的照搬照抄，在大量引進新材料和新工藝，應該根據自己的實際情況不盲從，一步一步的研發。這就要求研發的工作人員應該吸取教訓，我們不能只是單純地考慮這個飛機制造材料有多么的先進，雖然有優點但不能只注重優點，要根據我們自身看是否能駕馭得了這些優點，我們能否擁有那么高超純熟的技術去利用這個材料。空中客車公司原來的A350設計方案是在A330設計方案的基礎上修改而成，計劃機體復合材料用量僅為35wt%，遠遠落后于波音B787。2005年，迫于在客戶的抱怨和外界的壓力，處于困境之中的空客A350不得不重新修改設計方案，經過兩年之久，歷經推翻確定在推翻在確定。A350客機的最終設計方案才宣告確定。但是由于設計方案的改變以及由此帶來的制造技術問題，造成了時間和金錢的嚴重浪費。A350客機的研制計劃不得不推遲整整3年，研制費用達到100億歐元，是之前計劃的2倍。

3 金屬復合材料的應用研究

（1）熱雙金屬。熱雙金屬是由二層膨脹系數不同的合金沿層間接觸面結合在一起的復合材料。高膨脹系數的合金層稱主動層，低膨脹系數的合金稱被動層。在加熱時，由于兩層的膨脹系數不同，主動層伸長得多，于是金屬片就向被動層彎曲，這樣就可以把熱能轉換成機械能，產生一定的力和位移。因此可作用測量或者控制儀表的傳觀元件。為了消除雙金屬在加工過程中產生的殘余應力，需根據牌號信息的不同選擇不同的穩定化熱處理工藝。采用熱軋結合法產生R系列熱雙金屬，與其他方法相比，提高比成材率和產生率，降低成本。

（2）符合框架材料。金屬符合材料生產工藝大致分為三步：組員金屬預處理，金屬壓縮變形和擴散熱處理。首先將銅帶和鋁條分為用鋼絲拋光，去除表面氧化層，直到露出新鮮的金屬表面，而后采用四錕冷軋機進行室溫下固相結合，為了保證鋁條按設計要求局部地復在銅帶上，用特制導衛裝置控制鋁條走向，一次冷軋壓下率達到70%左右，在張力下冷軋，固相結合的復合帶材胚料去油后，立即在真空下進行450oC，3h擴散退火，在冷至成品。

4 復合材料研究新進展

復合金屬材料在汽車中用于結構或半結構部件仍處于飛速發展中。在金屬復合材料市場上，大約有35種汽車部件的制備已經采用此生產材料。當前有兩種方法可以生產納米顆粒彌散強化的大塊非晶態合金符合材料。采用銅模鑄造方法能夠制得含有納米顆粒的分散強化的非晶合金基復材料，這種合金溶體在凝固時形成納米和微米尺寸的磷化物顆粒均勻分散于非晶體中。

5 結語

金屬復合材料的“相補效應”，使其具備各組元的優良性能，能夠發揮單一金屬難以起到的作用，具有經濟性和功能性兼備的優勢。在現有的金屬復合技術上，開發以低成本、高質量為中心，促進生產過程連續化和短流程化的新金屬復合技術，將成為各國科研人員的重要課題。

[1]易健宏,楊平,沈韜.碳納米管增強金屬基復合材料電學性能研究進展[J].復合材料學報,2016,33(4):689-703.

[2]張丹丹,戰再吉.石墨烯/金屬復合材料力學性能的研究進展[J].材料工程,2016,44(5):112-119.

[3]李濤,閆翠霞,黃啟祥,等.石墨烯-稀貴金屬復合材料的制備及其研究進展[J].熱加工工藝,2016(2):23-27.