鄭瑩瑩

（江蘇航空職業(yè)技術學院 航空工程系，鎮(zhèn)江 212134）

連續(xù)碳纖維增強鋁基復合材料（簡稱連續(xù)Cf/Al復合材料），具有比強度和比模量高、熱膨脹系數低等優(yōu)點，已被廣泛應用于航天衛(wèi)星、飛機羽翼、導彈外殼等領域[1-2]。連續(xù)Cf/Al復合材料目前存在高性能纖維強化密度小、韌性差、低成本-大尺寸制備工藝不穩(wěn)定等缺陷，制約了其進一步作為民用結構材料進行應用，再加上金屬液相/碳纖維界面潤濕性差，科研工作者進行了大量的研究工作。連續(xù)Cf/Al復合材料一般采用連續(xù)性碳纖維增強，通常采用擠壓鑄造法[3]、真空壓力浸滲法[4]等方法將纖維摻雜到熔融金屬液相中，均勻混漿后制成復合材料。然而，氣孔缺陷、界面潤濕性以及不均勻性一直是技術難題，迫切需要解決。

連續(xù)性碳纖維對金屬或樹脂的強化作用，主要作用于Z向拉伸強度和抗形變等方面。Z向增強技術主要包括三維編織、Z-pin和縫合技術，可以有效提高復合材料的層間斷裂韌性。林磊[5]將纖維相互編織成三維立體架構，作為堅強的骨架增強鋁合金熔體，制備纖維增強金屬基復合材料。藺春發(fā)等[6]探討了連續(xù)SiC纖維增強Ti-Al系金屬間化合物基復合材料的制備和界面行為，綜合采用纖維表面涂層、基體合金化和降低制備溫度、縮短高溫區(qū)間的保溫時間，減少了對纖維的反應損傷。通過中間涂層緩解碳纖維與Ti-Al金屬間化合物的熱膨脹系數差異，降低基體與纖維熱膨脹系數的不匹配性等問題。NEUBAUER等[7]采用擠壓鑄造-浸滲工藝制備體積分數為20%～25%的碳預制件增強鋁基復合材料，適用于在關鍵區(qū)域采用選擇性強化的鑄件制造。SEM斷口分析表明，擠壓鑄造浸滲工藝可以獲得更好的潤濕性和纖維/基體之間的界面結合。

為使鋁液與纖維有較好的潤濕性，需在纖維表面化學鍍Ni或Cu等預處理，以實現纖維與金屬液相之間的界面潤濕（簡稱濕熱效應）。然而，碳纖維外層會殘留有機環(huán)氧膠，直接影響金屬鍍層與碳纖維表面的結合強度。鑒于此，對連續(xù)Cf/Al復合材料的工藝方法進行了分析，綜述了近年來國內外連續(xù)Cf/Al復合材料的研究現狀，概述了碳纖維與金屬之間的界面行為及解決方法，并對連續(xù)Cf/Al復合材料的發(fā)展及航天應用進行了總結和展望。

1 連續(xù)Cf纖維增強復合材料

1.1 連續(xù)Cf/樹脂基復合材料

常見碳纖維復合材料包括碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）、碳纖維增強碳基復合材料（C/C）、碳纖維增強金屬基復合材（CFRM）以及碳纖維增強陶瓷基復合材料（CFRC）等，其中CFRP材料具質輕高強、設計自由度大、可一體化成型等優(yōu)點，應用范圍最廣，是航空航天等領域實現輕量化、結構功能一體化的關鍵材料之一。CFRP材料中基體樹脂分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂，常用的熱固性樹脂包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂等。相對于熱塑性樹脂，連續(xù)Cf/熱固性樹脂復合材料的強度和剛度等靜態(tài)性能更好，應用更加廣泛。在商用飛機制造中，空客A350 XWB中采用CFRP總量達到了53%，波音787的CFRP用量達到了50%。

CFRP材料大多由單向預浸料或編織預浸料，按一定的鋪放設計要求，疊合成預期的厚度和形狀。經加熱，樹脂固化將各層粘接為整體而制成。樹脂基復合材料的一個突出特點是具有優(yōu)良的抗疲勞性，然而如何抑制層合板分層損傷一直是復合材料研究的重要課題之一。

1.2 連續(xù)Cf/金屬基復合材料

由于具有比強度和比模量高、熱膨脹系數低、可設計性強等特性，連續(xù)Cf/金屬基復合材料在過去30多年中一直備受航天領域青睞。航空航天工業(yè)需要減輕太空推進系統(tǒng)和航天結構重量，金屬基復合材料具有潛在的應用價值。例如，Cf/Mg復合材料制作衛(wèi)星桁架結構、空間動力回收系統(tǒng)構件、空間站撐桿以及空間反射鏡架等。哈勃太空望遠鏡的部分構件采用Cf/Mg復合材料，包括航天器軌道器的結構件、哈勃太空望遠鏡的天線波導竿以及通信衛(wèi)星裝置中的熱管道。常見金屬合金與復合材料力學性能比較如圖1所示，圖中數據來源于文獻報告，其中Gr為石墨纖維。

連續(xù)Cf/Al復合材料中，碳纖維作為增強體，賦予其高的比強度、比模量和優(yōu)異的耐熱性能。在250 ℃時，抗拉強度仍能保持其室溫抗拉強度的81%，其疲勞強度比鋁合金高約40%。連續(xù)Cf/Al復合材料常采用熱壓擴散粘結法，其他制備工藝及應用列于表1。

表1 幾種連續(xù)Cf增強金屬基復合材料合成工藝及應用

2 連續(xù)碳纖維表面金屬化

實驗表明，碳纖維與Al基的界面不潤濕，不利于形成冶金結合界面。為避免外界活性氧的卷入Al基金屬中，目前采用的液態(tài)法制造工藝一般壓強很高，為3～100 MPa，但高壓鑄造易損傷碳纖維。此外，采用熔體滲入工藝，必須在1 000 ℃以上時Al才能潤濕碳纖維，但此時碳纖維與鋁基易生成脆性化合物（Al4C3等），破壞了碳纖維的強度與韌性。為解決潤濕性與高溫冶金反應之間的矛盾，一般采用表面改性的方法，如電化學鍍層或氣相沉積的方法在表面制備一層鍍層作為過渡層來避免不利的界面冶金反應的發(fā)生，同時提高潤濕性。

Cu涂層由于化學性穩(wěn)定和延展性好等特點，常用于碳纖維的表面涂層。在高溫條件下，鍍Cu碳纖維具有很好的相容性。研究指出：鍍Cu碳纖維在800 ℃以上時，強度才略有下降。采用化學鍍Cu后的纖維表面及截面形貌圖，如圖2所示[1,8]。

Ni涂層具有耐腐蝕和抗高溫性能，被用于碳纖維表面涂層、電磁波吸收材料和電容器材料。采用置換沉淀、化學鍍、電鍍等方法在碳纖維表面鍍鎳，鎳層的存在可阻止熔鋁直接與纖維接觸，但鎳向碳纖維的擴散會損害纖維并導致石墨化。NiAl3的形成可降低基體與纖維之間的粘接力，易引起材料的脆化。為控制鎳的擴散，鎳層應有一定的厚度，但從防止脆性破壞和提高界面結合力角度，涂層越薄越好。綜上分析，Ni涂層可以改善Al對碳纖維表面的潤濕性，但作為單涂層使用，并不是理想的涂層。

非金屬涂層中，Ti-B涂層可提高碳纖維與鋁的潤濕性，并減少Al4C3脆相的形成。在900 ℃和10-7Torr的真空條件下，潤濕角降低至37°，整個過程須在惰性Ar氣氛中進行，以有效阻止碳纖維和鋁之間的反應。Ti-陶瓷涂層能阻擋界面反應，但不能顯著提高碳纖維和鋁的潤濕性。歷年來，發(fā)展新的纖維的同時提出了許多表面處理技術，以促進金屬液相與纖維界面潤濕和界面冶金結合。常見的表面改性技術，如表2所示。

表2 連續(xù)Cf/Al復合材料中纖維表面金屬化涂層種類

3 界面行為研究

纖維和基體之間的界面粘結性是影響纖維增強復合材料性能的重要因素之一。在使用金屬涂層時，除涂層本身能阻止纖維與基體的反應（減少M3C4脆化相出現）和提高潤濕性外，同時需要促使界面有一定的結合力。以連續(xù)Cf/Al復合材料為例，鋁液高溫下浸滲碳纖維時，在界面上生成Al4C3脆性相。對纖維增強復合材料來說，在不損傷纖維的前提下，較強的界面反應對材料的性能有利塑性加工將對界面的性能產生重要影響。其主要的涂層技術為化學氣相沉積法（CVD）、物理氣相沉積（PVD）、溶膠-凝膠法、化學鍍法、溶液法以及電鍍法等。BOCCACCINI等[9]借助離子電泳的方法（Electrophoretic Deposition）在碳纖維上沉積Ni鍍層，如圖3所示[9]，有利于潤濕性和界面粘結強度的顯著增強。

4 連續(xù)Cf/Al復合材料研究現狀及存在問題

制備Cf/Al復合材料時，鋁合金基材主要選用Al-Mg-Si系和Al-Cu-Mg系等可熱處理強化的合金。最新應用的防銹鋁LF6屬于鎂含量高的Al-Mg合金，可焊性強，經冷變形后可提高其強度，適于制造中載構件。目前國內已具備生產高模量的碳纖維，促進了碳纖維增強鋁合金材料（CFALL）的工業(yè)化生產。玻璃纖維增強鋁合金層壓材料（GLALL）也在研制過程中，由于成本較低，具有一定的應用前景。用Cf/Al復合材料制成的導航系統(tǒng)，有效提高了精度。航天天線和衛(wèi)星拋物面天線骨架，可在較大溫度范圍內保持其尺寸穩(wěn)定，使衛(wèi)星拋物面天線的增益效率提高4倍。

然而，碳纖維表面微裂紋開裂、高強度動載荷下的疲勞斷裂以及與金屬基體的潤濕與界面結合等問題，嚴重制約了其進一步發(fā)展。因此，探索碳纖維表面改性方法，對碳纖維增強金屬基體復合材料成型尤為重要。

5 結論與展望

經過40多年的研究摸索，無論是制備方法、性能工藝，還是工程應用，連續(xù)Cf/Al復合材料都相當成熟。然而，低成本、大體積替代傳統(tǒng)的金屬材料，應用的維度和深度遠不及期望，需要從材料選擇、制造成本和工藝流程簡化等方面繼續(xù)展開探究。

目前，大多數纖維增強金屬基復合材料均已被詳細報道，然而對高溫合金Ni基和航空Ti基研究較少。今后一段時間的研究方向有必要向高性能的金屬基轉變，同時纖維表面金屬化的工藝較為煩瑣，一步快捷法的纖維表面官能化是未來的發(fā)展趨勢。對于金屬基復合材料研究及如何經濟地開展產業(yè)化，距離規(guī)?；a應用尚有差距。同時，探尋新的制備工藝，結合計算機模擬技術，從理論上指導實驗。

連續(xù)Cf/Al復合材料是金屬基復合材料中研究較多、應用較廣的復合材料之一，是制造航空航天構件的理想材料。

（1）工藝上，厘清材料的本質屬性、使用特性和生命周期可負擔能力，材料必須與創(chuàng)新設計同步，與制造系統(tǒng)方法一致。然而，由于系統(tǒng)拉動和資源匱乏，很難超越技術和成本的障礙。涂層方面須繼續(xù)合適種類的涂層及簡潔制備工藝，如應用3D打印技術制備Cf/Al復合材料已成為目前研究熱點。綠色發(fā)展方面須關注碳纖維的回收再利用問題。

（2）失效評價標準，復合材料的界面問題、制備工藝與性能的不穩(wěn)定，嚴重制約其工業(yè)化應用。鑒于此，需進一步提高材料的性能，降低制造成本，加快產業(yè)化進程，推出評價標準體系。例如，針對纖維的斷裂、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，完成復合材料損傷評價體系，為復合材料的實際應用提供參考依據。