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(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095)

連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是利用高強(qiáng)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(qiáng)體，與相應(yīng)的金屬基體復(fù)合而成。其中增強(qiáng)纖維絕大多數(shù)情況下是作為承載組分，而金屬基體主要起黏結(jié)纖維、傳遞載荷、部分承載的作用。由于性能優(yōu)良的連續(xù)纖維加入，使得復(fù)合材料具有輕質(zhì)，比強(qiáng)度、比模量高，耐磨性強(qiáng)，耐高溫性能好，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，抗疲勞，抗老化等優(yōu)良的綜合性能，在先進(jìn)武器、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究，本工作對(duì)其研究現(xiàn)狀、應(yīng)用情況進(jìn)行概括，對(duì)該類復(fù)合材料研制過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題如界面問(wèn)題、成型問(wèn)題、制備工藝、性能等進(jìn)行總結(jié)，并提出相應(yīng)的研究方法和研究思路。

1 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的種類及其應(yīng)用情況

1.1 纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

目前已經(jīng)成功應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料的連續(xù)長(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)鋁基復(fù)合材料

硼纖維性能好、尺寸較大(φ=100～140μm)，使硼-鋁復(fù)合材料在制造工藝上較為簡(jiǎn)單，是連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中最早研究成功和應(yīng)用的材料之一。硼-鋁復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量均明顯高于基體，這種復(fù)合材料的優(yōu)越性在高溫時(shí)尤其突出，而且其疲勞性能優(yōu)異。美國(guó)和前蘇聯(lián)的航天飛機(jī)中機(jī)身框架及支柱和起落架拉桿等都采用硼-鋁復(fù)合材料。如美國(guó)航天飛機(jī)的主艙框架就是用硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成，比鋁合金框架減重44%，產(chǎn)生了巨大的效益。硼-鋁復(fù)合材料還具有較強(qiáng)的中子吸收能力，用來(lái)制造廢核燃料的運(yùn)輸容器和儲(chǔ)存容器可顯著減重。另外硼-鋁復(fù)合材料還可以制作移動(dòng)防護(hù)罩、控制桿、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)網(wǎng)扇葉片、飛機(jī)機(jī)翼蒙皮、結(jié)構(gòu)支撐件、飛機(jī)垂直尾翼、導(dǎo)彈構(gòu)件、飛機(jī)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(qiáng)鋁基復(fù)合材料

碳(石墨)纖維密度小，具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能。碳-鋁復(fù)合材料最成功的應(yīng)用是美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡的兩個(gè)兼作波導(dǎo)管用的長(zhǎng)為3.6m的長(zhǎng)方形天線支架，此外還可用做人造衛(wèi)星的支架、L頻帶平面天線、人造衛(wèi)星拋物面天線、照相機(jī)波導(dǎo)管和鏡筒、紅外反射鏡等［2］。

1.1.3 SiC纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)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(duì)于以鎢絲或碳絲作底絲經(jīng)化學(xué)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(fā)生反應(yīng)，在制造工藝上相對(duì)較為容易，是鋁基復(fù)合材料較好的一種增強(qiáng)物。SiC-鋁基復(fù)合材料主要用作飛機(jī)、導(dǎo)彈、發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)的3m長(zhǎng)L型加強(qiáng)板，噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)垂直尾翼平衡和尾翼梁，導(dǎo)彈彈體及垂直尾翼，汽車空調(diào)器箱，移動(dòng)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(yīng)器等［3］。

1.2 連續(xù)纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料

鎂基復(fù)合材料的主要特點(diǎn)是密度低，比強(qiáng)度和比剛度高，同時(shí)還具有良好的耐磨性、耐高溫性、耐沖擊性、優(yōu)良的減震性能及良好的尺寸穩(wěn)定性和鑄造性能等;但由于工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，目前主要應(yīng)用于航天及航空部門。鎂合金常用的連續(xù)增強(qiáng)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(rùn)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(qiáng)鎂基復(fù)合材料需要解決的首要問(wèn)題就是改善碳纖維與鎂合金之間的潤(rùn)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(xué)鍍Ni等方式已經(jīng)得到良好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［6～8］。碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料目前已經(jīng)在航空航天的高精度空間結(jié)構(gòu)材料、汽車工業(yè)以及軍工制造等領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用前景［9，10］，主要用作航天器結(jié)構(gòu)材料如衛(wèi)星天線的桁架結(jié)構(gòu)、航天站的安裝板以及航天器的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)等［11］。以上應(yīng)用多采用單向碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。為了克服單向材料性能的各向異性等缺點(diǎn)，對(duì)二維織物結(jié)構(gòu)鎂基復(fù)合材料也進(jìn)行了初步的研究［12］，獲得了具有徑向和緯向熱膨脹系數(shù)對(duì)稱的復(fù)合材料試樣，但對(duì)其他性能未能進(jìn)行深入研究。合金絲、Al2O3纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料起步晚，目前只是處于實(shí)驗(yàn)室研制階段［13］。

1.3 連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的發(fā)展已有30多年的歷史，美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均投入大量的人力和物力對(duì)該復(fù)合材料進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究［14～18］。由于高性能增強(qiáng)陶瓷纖維的研制成功，使纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的性能(比強(qiáng)度，比剛度)大幅度提高，與此同時(shí)，制造工藝日趨完善。制造成本降低，已在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤件中得到試用，大大地降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比［19］。鈦合金常用到的成熟連續(xù)增強(qiáng)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(qiáng)鈦基復(fù)合材料是鈦基復(fù)合材料研究最廣泛和深入的一種復(fù)合材料。SiC纖維通常與基體鈦合金發(fā)生反應(yīng)，C和Si原子從纖維通過(guò)界面向基體擴(kuò)散，Ti、A1、Nb等元素通過(guò)界面向纖維擴(kuò)散，在纖維與金屬基體之間會(huì)形成多層反應(yīng)產(chǎn)物。因此為了避免嚴(yán)重的界面反應(yīng)，在纖維表面進(jìn)行涂層處理。目前已商業(yè)化生產(chǎn)的SiC纖維表面均涂覆耐高溫碳層來(lái)保護(hù)纖維不開裂及減輕纖維與基體的反應(yīng)。SiC纖維所增強(qiáng)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(fù)合材料也得到了良好的應(yīng)用，如美國(guó)國(guó)防部和NASA資助建立的SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的生產(chǎn)線，為單級(jí)直接進(jìn)入軌道航天飛機(jī)提供機(jī)翼和機(jī)身的蒙皮、支撐衍梁、加強(qiáng)筋等構(gòu)件［21］;羅-羅公司采用SCS-6/Ti-6-4復(fù)合材料制造超音速飛機(jī)蒙皮;美國(guó)懷特實(shí)驗(yàn)室及美國(guó)空軍采用 SCS-6/Ti-6-4復(fù)合材料板及 SCS-6/Ti-22Al-23Nb復(fù)合材料用于宇航飛機(jī)和先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的渦輪部件［22］。F-16戰(zhàn)斗機(jī)的腹鰭和加油口蓋板，B777客機(jī)、P＆W4084、4098發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇導(dǎo)向葉片和F/A-18E/F超級(jí)大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)的液壓系統(tǒng)分路閥箱均采用 SiC增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料制造。DWA公司已制備出SiCf/Ti的葉盤、葉環(huán)等典型部件，并進(jìn)行了成功試車。20世紀(jì)90年代初，在IHPTET研究計(jì)劃下，AADC公司設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)了XTC-16系列核心機(jī)的4級(jí)壓氣機(jī)的第3，4級(jí)采用碳化硅增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)。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(huán)內(nèi)側(cè)加工出“V”形環(huán)槽，在槽內(nèi)裝入由碳化硅纖維增強(qiáng)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(fù)合成一體。該整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量大大減輕，如第3級(jí)整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量只有4.5kg左右，而用鎳基合金制造的同樣轉(zhuǎn)子(非整體葉環(huán))的實(shí)際質(zhì)量為25kg［23］。另外SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、低壓軸、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等部件上得到應(yīng)用［24～26］。

1.4 連續(xù)纖維增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料

鎳基復(fù)合材料具有良好的高溫強(qiáng)度、抗熱疲勞、抗氧化和抗熱腐蝕性，是取代傳統(tǒng)鎳基高溫合金制造航空、航天、艦船及工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中重要受熱部件的新型金屬基復(fù)合材料。目前鎳基復(fù)合材料的研制處于初始階段，尚未見應(yīng)用報(bào)道，但其應(yīng)用前景已得到國(guó)內(nèi)外航空、航天界的關(guān)注。增強(qiáng)纖維與鎳基體的界面反應(yīng)以及熱膨脹系數(shù)不匹配問(wèn)題是目前的研究重點(diǎn)［27～29］。從目前的研究情況來(lái)看，主要的強(qiáng)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(yán)重的界面反應(yīng)，另外SiC與 Ni合金的線膨脹系數(shù)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(shù)存在較大差異。因此SiC纖維必須進(jìn)行涂層處理才能解決界面反應(yīng)、緩解界面應(yīng)力等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)東北大學(xué)與中科院金屬所對(duì)SiC纖維表面涂層進(jìn)行了較為系統(tǒng)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(duì)纖維表面涂覆處理制備出C-A12O3，SiO2-A12O3復(fù)合涂層，通過(guò)真空熱壓法制備出SiCf/Ni復(fù)合材料。經(jīng)過(guò)真空熱處理后，復(fù)合涂層很好地保護(hù)了纖維的完整性，涂層中的A12O3層與基體Ni界面結(jié)合良好，有效地阻擋了SiCf/Ni界面處元素互擴(kuò)散。

用鎢絲、釷鎢絲增強(qiáng)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(qiáng)度1～3倍，主要用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)Ni-Al金屬間化合物基復(fù)合材料。在熱壓過(guò)程中發(fā)生Ni原子向纖維極弱的擴(kuò)散，在界面的局部區(qū)域形成5～20nm厚的薄膜。

2 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵問(wèn)題

金屬基復(fù)合材料是在基體金屬基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，他們能夠克服基體金屬的一些弱點(diǎn)。由于各種金屬本身物理性能和化學(xué)性能的不同，使得不同金屬基復(fù)合材料的研制和應(yīng)用情況存在較大差異，但是這些材料在研究過(guò)程中所采用的方法相近，因此研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)具有相似性。經(jīng)過(guò)對(duì)多種金屬基復(fù)合材料研制過(guò)程的概括，其研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)主要包含復(fù)合材料的制備技術(shù)、界面研究、性能研究和加工技術(shù)等幾個(gè)方面［33～35］，下面對(duì)各個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

2.1 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)

傳統(tǒng)的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法可以分為三大種類，分別為固態(tài)法、液態(tài)法和涂層熱壓法。復(fù)合材料的制備方法對(duì)復(fù)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(qiáng)相和金屬基體原有性能的下降，避免不利的界面反應(yīng)發(fā)生，同時(shí)考慮方法的經(jīng)濟(jì)性。

2.1.1 固態(tài)法

將金屬粉末或金屬箔與纖維按設(shè)計(jì)要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再經(jīng)加壓、加熱，將金屬基體與增強(qiáng)物復(fù)合黏結(jié)在一起，形成復(fù)合材料。整個(gè)固態(tài)復(fù)合工藝過(guò)程處于較低的溫度，金屬基體與增強(qiáng)相均處于固態(tài)，各組成成分間的界面反應(yīng)不嚴(yán)重。固態(tài)法可以細(xì)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(qiáng)鈦基復(fù)合材料最原始的方法，首先用金屬絲將增強(qiáng)纖維編織成蓆子，然后再將金屬箔材與其進(jìn)行箔材/纖維/箔材復(fù)合后熱壓制成復(fù)合材料。該方法示意圖如圖1所示。美國(guó)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(fù)合材料。FFF法主要難點(diǎn)在于基體合金箔的制造，這也是限制其廣泛應(yīng)用的瓶頸。因此美國(guó)FMW公司在該工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，用鈦絲材來(lái)代替鈦箔，使制造成本降低80%，并且改進(jìn)后的工藝已制成GE發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)室研究階段［36］，未見應(yīng)用報(bào)道。

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

2.1.2 液態(tài)法

液態(tài)法是指基體金屬處于熔融狀態(tài)下與固態(tài)增強(qiáng)材料復(fù)合在一起的方法。液態(tài)法所適用的金屬基體主要為較低熔點(diǎn)的材料，如鎂、鋁和鋅合金等，對(duì)于熔點(diǎn)高的鈦基和鎳基復(fù)合材料應(yīng)用較少。液態(tài)法可以分為液態(tài)滲透法、壓力鑄造法等。

液態(tài)滲透法是先把纖維增強(qiáng)相預(yù)制成型，然后將基體熔體傾入，在無(wú)壓力或小壓力下使其浸滲到纖維間隙而達(dá)到復(fù)合化的目的。液態(tài)滲透法通常是在真空或有惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行的。由于滲透過(guò)程中壓力較低，該方法可以生產(chǎn)大的復(fù)雜近凈成型零件，不會(huì)產(chǎn)生預(yù)制塊運(yùn)動(dòng)、纖維損傷等問(wèn)題。該方法中纖維與液態(tài)金屬間的潤(rùn)濕性是至關(guān)重要的，通過(guò)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(rùn)濕性和界面反應(yīng)。另外，金屬液在連續(xù)纖維預(yù)制體中的補(bǔ)縮問(wèn)題是凝固過(guò)程中的又一重要問(wèn)題［37］。凝固補(bǔ)縮是減少縮松及改善復(fù)合材料性能的重要途徑，纖維束間距、束內(nèi)纖維間距、溫度梯度和凝固壓力均對(duì)補(bǔ)縮具有重要影響［38］。

壓力鑄造法又稱擠壓鑄造、液態(tài)模鍛、鍛造法等。其原理是將編制好的增強(qiáng)纖維預(yù)制體放入到鑄型中，然后向鑄型中澆入金屬液體，而后對(duì)固液混合體施以高壓，使金屬滲入預(yù)制體后凝固為致密的復(fù)合材料，其示意圖如圖2所示。該方法的缺點(diǎn)是容易造成纖維預(yù)制體變形，纖維受損，難以實(shí)現(xiàn)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(fù)合材料示意圖Fig.2 Sketch of composites preparation by pressure casting

2.1.3 涂層熱壓法

《掛職筆記》以一種記錄的方式來(lái)凸顯客觀性和真實(shí)性。這種記錄方式讓多種聲音、多種訴求在一個(gè)話語(yǔ)場(chǎng)域里形成碰撞，構(gòu)成了敘事的張力。書中的每一個(gè)人物都鮮活生動(dòng)，每一個(gè)故事都錯(cuò)綜復(fù)雜、耐人尋味，從他們的經(jīng)歷和遭遇中我們能看到時(shí)代的變遷帶給農(nóng)民的變化，從中也能看到人性的復(fù)雜。不同的人有不同的性格和色彩。而作者也一直堅(jiān)持以人為本的立場(chǎng)，借助于多個(gè)題材展示眾生百態(tài)，凸顯他們生活的艱辛不易：在這樣一個(gè)平凡的環(huán)境中，生活著一群平凡的人，他們不太成功，沒(méi)有上天的眷顧，可他們依然為了生存和尊嚴(yán)不停掙扎、不斷奮斗。作者將這些微弱卻努力的堅(jiān)持通過(guò)文字真實(shí)地呈現(xiàn)在讀者眼前，這樣的呈現(xiàn)正是文學(xué)的一種魅力所在。

涂層法是將基體材料沉積或涂覆到增強(qiáng)纖維上，然后將帶基體的纖維進(jìn)行復(fù)合，從而制成致密的復(fù)合材料。應(yīng)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(jié)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(duì)高熔點(diǎn)金屬表現(xiàn)出更具潛力的應(yīng)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(shù)的選取是涂覆質(zhì)量的關(guān)鍵，也是成功制備復(fù)合材料的前提條件，針對(duì)不同的基體合金探索最優(yōu)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(jié)構(gòu)是該方法研究的必經(jīng)之路。PVD方法較固態(tài)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(jīng)濟(jì)效益;另外PVD法較液態(tài)法的應(yīng)用范圍更為廣泛。對(duì)于鈦、高溫合金等，其熔點(diǎn)非常高以至于以這類合金為基體的復(fù)合材料無(wú)法采用液態(tài)法進(jìn)行制備，較高的加熱溫度造成了增強(qiáng)纖維的破壞，從而嚴(yán)重影響復(fù)材的各項(xiàng)性能。因此該方法是鈦基、鎳基復(fù)合材料的優(yōu)良制備方法，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。另外PVD法的另一優(yōu)點(diǎn)是可以精確控制涂覆的金屬化學(xué)成分和纖維體積分?jǐn)?shù)，涂層雜質(zhì)較少。該方法得到了較廣泛的應(yīng)用。如德國(guó)宇航中心利用該方法制備出SCS-6/Ti-6242復(fù)合材料，纖維含量達(dá)到35%，材料的使用溫度達(dá)到基體最高使用溫度540℃［41］。

2.2 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的界面研究

連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料所承受的載荷是要通過(guò)界面由基體傳遞到纖維上，纖維/基體之間界面的性質(zhì)包括結(jié)合狀態(tài)和強(qiáng)度、界面的殘余應(yīng)力狀態(tài)等對(duì)復(fù)合材料性能具有非常大的影響，因此金屬基復(fù)合材料的界面問(wèn)題是復(fù)合材料研制過(guò)程中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

2.2.1 纖維與基體間界面反應(yīng)研究

(1)纖維與基體間界面反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究

增強(qiáng)相與基體間良好的物理和化學(xué)相容性是金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本要求。物理相容性主要集中于增強(qiáng)相與基體之間的熱膨脹系數(shù)研究，熱膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，界面處產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，有可能導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，甚至開裂。在化學(xué)相容性方面，通常選用最小自由焓原理作為判斷復(fù)合材料中兩組元之間在一定溫度，一定環(huán)境下是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)［42］。另外［43，44］還可以利用 Gaussian-98量子化學(xué)計(jì)算程序求解薛定諤方程，求得復(fù)合材料界面反應(yīng)的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，建立反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，從而為纖維的選取提供理論依據(jù)。

(2)纖維與基體間界面的微觀結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機(jī)理研究

基體材料與增強(qiáng)體間比較理想的界面均是以化學(xué)方式相結(jié)合的，因此反應(yīng)機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)是界面研究的最基本問(wèn)題。當(dāng)前XRD、SEM、TEM、EDS等先進(jìn)的測(cè)試手段被廣泛地應(yīng)用到界面微觀結(jié)構(gòu)的觀察，界面的相組成、元素分布、界面厚度變化規(guī)律等得到揭示。界面反應(yīng)的過(guò)程是合金元素發(fā)生擴(kuò)散的過(guò)程，因此界面反應(yīng)擴(kuò)散是界面反應(yīng)機(jī)理研究的一個(gè)重要方面。目前界面反應(yīng)擴(kuò)散的研究［45，46］主要包括擴(kuò)散模型的建立、擴(kuò)散熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究、界面反應(yīng)擴(kuò)散控制機(jī)理、擴(kuò)散障礙涂層研究等。其中大多數(shù)擴(kuò)散研究集中在各反應(yīng)層的熱力學(xué)計(jì)算、擴(kuò)散通道、反應(yīng)順序的推斷，較多地從整體反應(yīng)層方面討論了界面反應(yīng)層的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，而對(duì)各個(gè)界面反應(yīng)層的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)及各反應(yīng)層中的微觀擴(kuò)散機(jī)理研究較少。

(3)纖維表面改性處理研究

金屬基復(fù)合材料所用到的增強(qiáng)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(rùn)性可能較差，造成復(fù)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(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，造成纖維的損傷，從而影響復(fù)合材料的性能;再者纖維與金屬基體熱膨脹系數(shù)存在較大差異時(shí)，界面處經(jīng)常產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成復(fù)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(fù)合材料的重要研究?jī)?nèi)容。對(duì)于金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維，其表面改性處理主要是通過(guò)對(duì)纖維進(jìn)行表面涂層涂覆，涂層種類包含金屬、陶瓷等，涂層結(jié)構(gòu)有單層、雙層和復(fù)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(duì)SiC纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料界面強(qiáng)度的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)中間層鈦與纖維表面C發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成TiC，增強(qiáng)了界面。

(1)影響界面強(qiáng)度的因素

影響界面強(qiáng)度的主要因素有界面反應(yīng)程度、界面熱殘余應(yīng)力、界面反應(yīng)物、Possion膨脹、纖維排布方式、制備工藝、纖維涂層性質(zhì)以及基體性能等因素。當(dāng)界面層中存在阻擋界面反應(yīng)的產(chǎn)物時(shí)，界面強(qiáng)度升高程度減弱;Possion膨脹越大，復(fù)合材料受壓時(shí)，纖維承受的徑向壓力越大，從而界面強(qiáng)度越高;不同纖維排列方式導(dǎo)致復(fù)合材料界面產(chǎn)生不同殘余應(yīng)力，從而影響界面強(qiáng)度;不同制備工藝下，界面反應(yīng)嚴(yán)重程度不同，從而影響界面強(qiáng)度［48］。

(2)界面強(qiáng)度的測(cè)試方法

目前比較常用的測(cè)定界面強(qiáng)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(fù)合材料基體，然后沿著纖維軸向持續(xù)增加非常小的力拉伸纖維，當(dāng)纖維剛好從拔出轉(zhuǎn)入斷裂時(shí)，記錄下纖維脫粘瞬間的力F，測(cè)出埋入纖維的長(zhǎng)度L和纖維直徑d，然后由公式(1)計(jì)算纖維的脫粘力τ。

纖維頂出法是新近出現(xiàn)的測(cè)量復(fù)合材料界面強(qiáng)度的原位測(cè)試技術(shù)，已成功地運(yùn)用于樹脂基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料。纖維頂出實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)曲線可以看出初始載荷隨位移呈線性增加，當(dāng)載荷達(dá)到Pi，直線的斜率降低，表示此時(shí)界面開始脫粘。當(dāng)載荷繼續(xù)增加到Pmax，表示界面剪切應(yīng)力達(dá)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(shí)驗(yàn)曲線可以獲取2個(gè)重要的參數(shù)Pmax和Pfr。然后根據(jù)公式(1)計(jì)算出界面剪切強(qiáng)度τp和平均摩擦應(yīng)力τfr。

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

對(duì)比拉拔法與頂出法可知，拉拔法原理簡(jiǎn)單，但樣品制備技術(shù)復(fù)雜，當(dāng)復(fù)合材料界面間黏結(jié)很強(qiáng)，纖維直徑很小，埋入的纖維長(zhǎng)度必須非常短，否則纖維未拔出已斷裂。另外，纖維拔出實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果由于受纖維嵌入的長(zhǎng)度、纖維外露長(zhǎng)度測(cè)量準(zhǔn)確度等因素影響，具有很大的分散性。纖維頂出實(shí)驗(yàn)的試樣可以直接從實(shí)際復(fù)合材料中截取，所獲得的結(jié)果更接近真實(shí)界面剪切強(qiáng)度。

(3)界面強(qiáng)度的數(shù)值模擬技術(shù)

數(shù)值模擬技術(shù)評(píng)定界面強(qiáng)度主要用有限元法模擬纖維擠出或者拔出實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)界面失效判據(jù)獲取界面剪切強(qiáng)度。在數(shù)值模擬計(jì)算界面剪切強(qiáng)度中，界面模型和界面失效準(zhǔn)則選用非常關(guān)鍵。目前界面模型有彈簧單元模型、界面層模型、內(nèi)聚力模型等［50］。Nimmer［51］等基于有限元方法分析了界面黏結(jié)中殘余應(yīng)力對(duì)界面分離的影響，基于界面應(yīng)力和界面位移函數(shù)關(guān)系的黏結(jié)帶模型在弱界面黏結(jié)的復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)分析中取得了令人滿意的結(jié)果。

2.3 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料性能研究

金屬基復(fù)合材料集合了基體合金和增強(qiáng)相兩者優(yōu)良的性能，存在質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐高溫、塑性好等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的深入研究可以增進(jìn)對(duì)其強(qiáng)化機(jī)理、失效機(jī)制的了解，為復(fù)合材料后續(xù)加工提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考。

(1)蠕變性能

對(duì)于一般金屬材料而言，材料的內(nèi)部位錯(cuò)滑移及攀移的難易程度決定了材料的高溫蠕變性能，而復(fù)合材料的蠕變?cè)碛袆e于基體合金。復(fù)合材料蠕變強(qiáng)度的提高包括直接和間接的因素，直接強(qiáng)化可歸因于基體與增強(qiáng)相之間的載荷傳遞，通過(guò)這種載荷傳遞可導(dǎo)致基體中應(yīng)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(qiáng)化則與增強(qiáng)纖維或制備工藝所引起的基體合金的微觀組織結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。在復(fù)合材料的間接強(qiáng)化中，潛在的組織因素主要包括位錯(cuò)分布、時(shí)效速率、組織分解和基體合金成分變化等。另外金屬基復(fù)合材料的蠕變速率較沒(méi)有強(qiáng)化的基體合金小得多，蠕變激活能遠(yuǎn)大于基體的自擴(kuò)散激活能，表現(xiàn)出更高的抗蠕變能力。有研究［52］報(bào)道鎂基復(fù)合材料在新興高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力要高于傳統(tǒng)金屬材料和鋁基復(fù)合材料，但由于鎂基復(fù)合材料的抗高溫(溫度超過(guò)120℃)蠕變性能較差，限制了其應(yīng)用，因此鎂基復(fù)合材料的蠕變性能研究成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Sklenicka V等［53］人對(duì)Al2O3纖維/AZ91復(fù)合材料的蠕變性能和組織演化進(jìn)行了研究。20%vol-Al2O3纖維/AZ91復(fù)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(gè)數(shù)量級(jí)，基體與增強(qiáng)相間的載荷傳遞是該復(fù)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(fù)合材料，如鈦、鎳基復(fù)合材料等的蠕變性能是其應(yīng)用研究的主要指標(biāo)，因此也成為該類復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)，Krishnamurthy［22］等人研究了熱處理工藝對(duì)SCS-6/Ti-22Al-23Nb(纖維體積分?jǐn)?shù)為35%)蠕變性能的影響，發(fā)現(xiàn)熱處理可改善復(fù)合材料的蠕變性能，固溶溫度低于1160℃時(shí)，纖維涂層完好無(wú)損，復(fù)材縱向拉伸強(qiáng)度不受影響;當(dāng)時(shí)效溫度處于O相形成溫度范圍內(nèi)時(shí)，O相體積分?jǐn)?shù)的增大造成復(fù)材蠕變強(qiáng)度的增加。

(2)疲勞性能

根據(jù)德國(guó)科學(xué)基金會(huì)的BAM-DLR計(jì)劃對(duì)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究顯示，復(fù)合材料應(yīng)用的主要障礙是復(fù)雜的疲勞損傷問(wèn)題。因此疲勞性能也成為復(fù)合材料眾多性能中的研究重點(diǎn)。目前主要從實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析三方面對(duì)復(fù)合材料疲勞性能、疲勞斷裂機(jī)理、疲勞壽命等進(jìn)行研究。Bettge［54］等人對(duì)SCS-6/Ti-6242復(fù)合材料及其基體的等溫和熱機(jī)械疲勞進(jìn)行研究得出，該復(fù)合材料在100～550℃的疲勞強(qiáng)度均在1000MPa以上，并且低溫疲勞強(qiáng)度高于高溫狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度。通過(guò)疲勞顯微裂紋觀察得出，高溫狀態(tài)下疲勞裂紋的表面氧化是導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展的主要原因。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料熱機(jī)械疲勞模型得到了長(zhǎng)足發(fā)展，從總體上可以分為基于細(xì)觀力學(xué)方法的軸向性質(zhì)模型和基于斷裂與損傷理論的橫向性質(zhì)模型［55］。

2.4 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成型與加工技術(shù)

2.4.1 塑性成型技術(shù)

連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件的預(yù)成型及后續(xù)精加工成本高昂，同時(shí)循環(huán)載荷下復(fù)合材料的損傷容限有限，均增加了復(fù)材零件的制造難度。因此復(fù)合材料新型的塑性成型技術(shù)已逐漸引起人們的關(guān)注。由于增強(qiáng)纖維的連續(xù)性和整體性導(dǎo)致了該類復(fù)合材料塑性變形的困難，目前連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)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(shí)纖維/基體界面處可能出現(xiàn)的三種缺陷:變形時(shí)當(dāng)界面應(yīng)力超過(guò)界面強(qiáng)度時(shí)可能出現(xiàn)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(jié)合而發(fā)生分離引起的Ⅱ型缺陷;Ⅲ型缺陷是兩個(gè)鄰近纖維之間的空間橋接引起的。日本的研究人員對(duì)SCS-6/SP-700鈦基復(fù)合材料的超塑性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn):I型缺陷的存在與變形時(shí)最大流變應(yīng)力有很大關(guān)系，超過(guò)臨界應(yīng)力18MPa時(shí)，I型缺陷隨最大流變應(yīng)力的增大而快速增多;Crossman橫向蠕變變形模型可應(yīng)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(yīng)力可能取決于纖維/基體的界面強(qiáng)度。目前連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的塑性成型技術(shù)仍然處于初始階段，對(duì)成型過(guò)程中材料的變形特性、變形機(jī)理和變形缺陷等未能開展

深入系統(tǒng)的研究。

2.4.2 熱處理技術(shù)

連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的熱處理難度在于兼顧基體合金和增強(qiáng)纖維，使兩者及兩者界面性能達(dá)到最優(yōu)。復(fù)合材料熱處理制度的選擇對(duì)其應(yīng)用具有決定性作用。Krishnamurthy等［22］人研究發(fā)現(xiàn)熱處理可以改善復(fù)合材料橫向蠕變性能，對(duì)SCS-6/ Ti-22Al-23Nb(體積分?jǐn)?shù)為35%)進(jìn)行超轉(zhuǎn)變固溶處理時(shí)效后，材料的橫向蠕變性能得到改善，而縱向拉伸強(qiáng)度不受影響，原因是熱處理不會(huì)對(duì)纖維涂層產(chǎn)生負(fù)面影響，復(fù)合材料中O相體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)及排布方式對(duì)復(fù)合材料性能的影響

纖維的體積分?jǐn)?shù)和排布方式對(duì)復(fù)合材料的性能、殘余應(yīng)力、致密化等具有決定性作用。通常纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度σo、彈性模量Eo與各組分材料性能關(guān)系為:

式中:σo和Eo分別為復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量;

σf和Ef分別為纖維的強(qiáng)度和彈性模量;

σm和Em分別為基體的強(qiáng)度和彈性模量;

Vf為纖維體積分?jǐn)?shù);K1和K2為常數(shù)，主要與界面強(qiáng)度有關(guān)。

研究發(fā)現(xiàn)［57］復(fù)合材料的強(qiáng)度先隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而減小，當(dāng)超過(guò)某一體積分?jǐn)?shù)后，復(fù)合材料的強(qiáng)度才開始增大。他們認(rèn)為在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中存在一個(gè)最小的體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)復(fù)合材料體積分?jǐn)?shù)超過(guò)該值時(shí)，材料的斷裂由多重纖維斷裂方式向同時(shí)斷裂方式轉(zhuǎn)變。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)低于該值時(shí)，復(fù)合材料的斷裂主要取決于基體，此時(shí)基體中纖維的存在就像許多小孔，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，這些小孔起著惡化復(fù)合材料性能的作用;當(dāng)體積分?jǐn)?shù)超過(guò)該值后，復(fù)合材料的斷裂主要取決于高強(qiáng)度、高彈性模量的纖維，復(fù)合材料的強(qiáng)度將超過(guò)基體的強(qiáng)度，達(dá)到強(qiáng)化基體的效果。

復(fù)合材料中常見的纖維排列方式有四方排列、四方對(duì)角排列和六方排列。利用有限元技術(shù)對(duì)纖維排列方式進(jìn)行研究成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)［58］。Masaki Hojo［59］等利用有限元模擬技術(shù)對(duì)這三種排列方式的復(fù)合材料的界面正常應(yīng)力狀態(tài)(Interfacial normal stress)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)纖維排列方式對(duì)纖維一側(cè)界面徑向、軸向和周向殘余應(yīng)力均有較大的影響，其中纖維六方排列時(shí)界面殘余應(yīng)力沿周向分布均勻，且周向殘余應(yīng)力小，不易在界面形成徑向裂紋。

3 展望

經(jīng)過(guò)近幾十年的研究和發(fā)展，連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在基礎(chǔ)理論、制備工藝、性能水平等方面有了很大的進(jìn)步，部分材料得到了良好的應(yīng)用。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料以其優(yōu)良的力學(xué)性能表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但是，與傳統(tǒng)的金屬材料相比，該種復(fù)合材料的研究水平和實(shí)際應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)。復(fù)合材料中的界面問(wèn)題仍是其應(yīng)用的瓶頸之一，同時(shí)制備工藝與性能的不穩(wěn)定也制約其工業(yè)化應(yīng)用。鑒于此，今后連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料研究應(yīng)注重以下幾個(gè)方面。

(1)繼續(xù)深入對(duì)復(fù)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(rùn)濕性、界面反應(yīng)、界面強(qiáng)度等方面入手，解決界面薄弱性問(wèn)題。

(2)優(yōu)化連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備工藝。創(chuàng)建工藝可行性評(píng)估體系，加強(qiáng)工藝?yán)碚撗芯浚瑢⒅苽溥^(guò)程與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)有機(jī)結(jié)合，縮短研制周期，降低制備成本，推動(dòng)其工程化應(yīng)用。

(3)完善復(fù)合材料的損傷評(píng)價(jià)體系。針對(duì)纖維的斷裂、纖維/基體的分離、纖維的滑動(dòng)和拔出、基體裂紋等復(fù)合材料失效表觀，重點(diǎn)研究裂紋形核、裂紋擴(kuò)展、斷裂機(jī)理和壽命預(yù)測(cè)，為復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

(4)拓展連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成型和加工技術(shù)。減少成型和加工過(guò)程中復(fù)合材料的損傷，確保零件質(zhì)量，降低零件的制造成本，為其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

(5)開展連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的質(zhì)量過(guò)程控制技術(shù)研究。從產(chǎn)品質(zhì)量保證工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量信息采集、質(zhì)量信息數(shù)據(jù)后續(xù)處理、現(xiàn)場(chǎng)加工制造過(guò)程等方面完善批量產(chǎn)品加工質(zhì)量過(guò)程控制技術(shù)。

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