铝基复合材料在航天领域的应用外文翻译资料

 2022-07-29 15:35:17

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铝基复合材料在航天领域的应用

从航空时代开始，已经开发了用于航空领域的具有高比刚度和接近零的热膨胀系数（CTE）的有机复合材料与金属基复合材料（MMC）。在过去30年间，有机复合材料中的石墨/环氧树脂（Gr / Ep）已经在航空航天中被用于桁架元件，母线面板，天线，导波管和抛物面反射器等方面。金属基复合材料具有耐高温，导热性良好，低热膨胀系数，高比刚度，高比强度等特点。由于拥有这些潜在的优点，金属基复合材料在20世纪80年代末的关键航空系统中的应用前景十分乐观。本文旨在详细描述这一历史。

介绍

宇宙中的极端环境对于材料学家来说既是挑战，又是机遇。在近地轨道中，传统飞行器会经常遇到太空中的诸如真空，热辐射，氧原子，电离辐射和等离子体，以及微流星体和人造碎片等因素。例如，国际空间站在其服役的30年间，由于反复进出地球的阴影，将经历175000次从零下125℃到125℃的热循环。在地球与火星任务中的重返大气层运载飞行器要经历1500℃的高温。因此，飞行器面临的关键问题是轻型空间结构如何在动态与热扰动下保持高的指向精度与稳定性。复合材料由于其高比刚度与低热膨胀系数，提供了产生轻质和尺寸稳定结构所必需的特性。有机复合材料与金属基复合材料都因此被用于航天领域。

尽管已经成功生产出了例如连续纤维增强的硼/铝，石墨/铝，石墨/镁等金属基复合材料，但是插入技术受限于制造与检验，放大及成本等的难易问题。有机基体复合材料继续取得成功， 完全解决了在热循环和辐射暴露期间产生的微裂纹以及电磁干扰（EMI）屏蔽相关的系统级问题，碳纤维金属基复合材料可以很好地解决这些问题。同时，不连续增强的金属基复合材料，例如碳化硅颗粒（p）增强的铝（SiCp / Al）和Grp/Al复合材料在航空航天应用（例如电子封装）和商业应用中也取得了长足的发展。本文介绍了美国太空计划中各种金属基复合材料的优点，缺点和潜力。

历史发展

在历史上，用钢铁纤维增强的铜是第一种作为模型系统研究的连续纤维增强的复合材料。在20世纪60年代末期的初步研究工作受到了航天工业的高性能需求的刺激。在这些发展努力中，最主要的驱动力是材料性能而不是成本。硼纤维是第一种高强度，高弹性模量增强体，被开发用于金属和有机基体复合材料。由于熔融铝合金的纤维强度低和润湿性差，早期碳纤维只能在有机基复合材料中进行一定的增强。因此，金属基复合材料初期的发展方向主要是扩散结合处理。与此同时，硼和石墨纤维开发出了最佳（空气稳定）的表面涂层，可以促进加工期间合金的润湿并抑制铝或镁合金发生反应。

金属基复合材料的处理

金属基复合材料在发展初期主要有三种加工方法：高压扩散结合，铸造和粉末冶金技术。更具体地来讲，扩散结合和铸造方法主要用于连续纤维增强的金属基复合材料，而不连续增强的金属基复合材料通过粉末冶金和压力辅助铸造工艺生产。金属基复合材料如B / Al，Gr / Al，Gr / Mg和Gr / Cu已经通过扩散结合法制造太空飞行器原型机部件，例如管，板和面板等。

属性

表I列出了几个连续纤维增强金属基复合材料的典型性能。通常，制造出的金属基复合材料的测量性质与每种复合材料分析预测的性质一致。金属基复合材料相对于对应的有机基质复合材料的主要优点是最大工作温度。例如，B / Al合金在510℃的高温仍然能够保持可靠的机械性能，而等效的B / Ep复合材料的有效温度却限于约190℃。此外，由于来自金属基体的显着贡献，诸如Gr / Al，Gr / Mg和Gr / Cu的金属基复合材料拥有更高的热导率。表II列出了用于航天器和商业应用的不连续增强铝（DRA）复合材料的性能。DRA是一种各向同性的金属基复合材料，拥有明确优于常规航空航天材料的机械性能。例如，美国DWA Aluminum Composites公司使用6092和2009基体合金制造出的金属基复合材料，在强度，延展性和断裂韧性等方面都拥有良好的属性，而在6063基体合金基础上制造的产品拥有高导热性。类似地，Metal Matrix Cast Composite（MMCC）公司已经生产了同时拥有高比热导率和低热膨胀系数的石墨颗粒增强铝基复合材料。

应用

虽然对于高精度，尺寸稳定的航天器结构的需求推动了金属基复合材料的发展，但是其迄今为止的应用仍然受到困难的制造工艺的限制。连续纤维增强金属基复合材料的第一次成功应用是在机身中部用作框架和肋骨桁架构件的B / Al管状支柱，以及作为航天飞机轨道器的起落架拖链。在每个航天飞机轨道器中都有几百个具有钛轴环和端部配件的B / Al管组件，在这一应用中，B / Al管对比基准铝可以节省45%的重量。

Gr / Al复合材料的主要应用是用6061 Al中的P100石墨纤维的扩散粘结片制成的哈勃空间望远镜的高增益天线臂。这根天线臂提供了所需的刚度以及低热膨胀系数，可以保证在空间调动中保证天线的位置。此外，它还提供了波导功能，金属基复合材料具有出色的导电性，使航天器和天线盘之间的电信号传输成为可能。此外，金属基复合材料的高尺寸稳定性也有助于其在该功能上的成功，材料在整个长度上保持plusmn;0.15 mm的内部尺寸公差。虽然目前服务部分仍使用石墨纤维连续增强，但较便宜的DRA生产的替换结构已通过认证。

与Gr / Al结构吊臂一样，一些金属基复合材料被设计用于诸如结构造型，电气和热控制等许多领域。比如，原型Gr / Al复合材料被开发为结构放射体以完成结构造型，热传导和EMI屏蔽等功能。此外，具有高导热性的Gr / Cu 金属基复合材料被开发用于高温结构散热器。DRA面板用作两个印刷电路板之间的散热器，以提供热管理并防止产生可能导致电路板中部件过早发生故障的弯曲和振动。在由美国国防先进研究计划署和美国空军赞助的技术开发计划中，已经成功地通过纤维缠绕真空辅助铸造工艺生产了用于桁架结构应用的石墨/镁管。图3展示了几个铸造的Gr / Mg管（50mm直径，1.2m长），证明了其制造方法的可重复性和可靠性。

在DRA复合材料中，颗粒状SiCp / Al和晶须SiCw / Al的增强在20世纪80年代得到了广泛的评价。潜在应用包括桁架结构，纵梁，电子组件，热平面，机构外壳和衬套的接头和连接配件等。图4展示出了通过近镍网铸造工艺生产的多孔SiCp / Al桁架节点。

由于其高导热性，可调节的CTE（以匹配诸如砷化镓或氧化铝的电子材料的CTE）和低密度的DRA复合材料的组合对于电子封装和热管理应用是十分有利的。几种采用SiCp / Al和Grp / Al材料的电子封装已经在航空航天领域得到应用，现在已经搭载在通信卫星和全球定位系统卫星上。这些部件不仅比以前的金属合金制造的部件轻得多，而且因为其网状结构节省了大量成本。DRA还被用于地球同步轨道通信卫星中的航天器功率半导体模块的热管理，替代了具有更高密度和更低热导率的Cu / W合金，同时还节省了超过80％的重量。这些模块还被用于制造一定数量陆基系统，年产量接近100万件。凭借这些已经被证明的优势，用于电子封装的DRA 金属基复合材料将在航空航天领域蓬勃发展。

状态与未来

由于关键的战略防御系统/任务不再需要连续纤维增强的金属基复合材料，在航空航天领域对其的开发被突然叫停。对其进行重大的改进仍然是必要的，制造和装配的问题依然有待解决。实际上，连续纤维增强的金属基复合材料不能充分发挥其作为航天器应用的工程材料的潜力。与此同时，Gr / Ep在单轴取向纤维取向上具有优异的比刚度和强度，被广泛地应用在航天器桁架的管结构中，也使得太空环境中的环境稳定性问题已得到圆满解决。

然而，颗粒增强金属拥有非常好的比强度和刚度，各向同性性质，易于完成接近净形状的造型，并具有优异的热、电性能和负担能力，使得不连续的金属基复合材料在航空航天领域广泛适用。由于其高结构效率和各向同性性质，不连续增强金属与要求高负载的桁架节点所需的多轴负载匹配良好。DRA更多应用于轻负载桁架，而不连续增强的Ti（DRTi）则更加适用于高负载桁架。DRTi现在在美国和日本均可商购，这种材料的绝对强度和刚度以及比强度和刚度都十分优秀。

不连续增强金属，还存在广泛的附加应用。在热管理和电子封装方面的应用包括散热器面板和电池套管，功率半导体封装，微波模块，黑匣子外壳和印刷电路板散热器等。例如，军用通信卫星DSCS-III，使用了23公斤以上的Kovar来进行微波包装。将这种金属替换为用于陆基系统中的热管理的Al / SiCp，将节省超过13公斤的重量，并且相对于Kovar合金组件还能够节省成本。潜在的卫星子系统应用还包括目前由较低比强度和刚度的金属制成的支架，半有机基质复合管，铰链，万向节，惯性轮壳体和电子 -光学子系统等。

通常在一级和二级结构应用中，金属基复合材料可以作为候选材料。然而，尽管拥有极佳的强度，刚度和环境抵抗力，并拥有最佳的工程材料，但这并不能保证其得到应用。连续增强的金属基复合材料的可用性和可承受性仍然是其能得到应用的重要障碍。

经常需要对材料的选择做出决策的设计人员必须更加熟悉不连续增强金属的性能，商业可用性以及其生命周期的负担能力。材料性能必须与创新设计和可承受的制造方法相结合，以产生能够切实提供利益的系统和子系统。但是，由于缺乏系统性和足够的资源，导致技术和成本的障碍很难克服。

在认识到了由国防与航空航天所引领开发的材料需要转向商业市场后，卡尔森利用了四种反复应用的原则，这将塑造有机矩阵和金属基复合材料等先进材料的未来。这四个原则包括制度解决方案，经济制造业，市场多元化和新技术。在系统解决方案方面，有关设计，流程和材料的决策必须协同作用才能获得最大的收益。任何一个独立的任务或系统应用都不能维持开发新材料和工艺的成本。因此，DRA在汽车，娱乐和飞机等多个市场上的广泛使用，使得DRA金属基复合材料在诸如电子封装的航天应用中的开发成本也变得可以接受了。基于DRA在电子封装、汽车和航空领域的结构应用中的成功，关于其在评估桁架端配件，机构外壳和延伸件等方面能否得到应用也正被进行评估。

在金属基复合材料的发展过程中，基础科学和技术方面取得了重大进展，其中包括对复合材料特性，纤维基体面，表面涂层，制造工艺及其热机械加工的基本了解。在此基础上，技术经验对于高温金属基复合材料的开发也提供了很大便利。

轻质，高强度，高硬度的Gr / Al和DRA金属基复合材料将继续被纳入航天器组件的材料贸易研究中，因为金属基复合材料在特定系统的性能（例如，高精度，不易破坏）方面提供了显着的回报。为了在空间应用中被成功使用，连续增强的金属基复合材料必须变得更加经济实惠，易于获得，性能可靠，可再生和可修复，具有和与之竞争的石墨/环氧树脂或金属部件相同或更好的性能。不连续增强金属具有许多的功能特性，包括高结构效率和各向同性特性，使得广阔的航空航天系统中拥有极大的潜力。经过多年的研究，我们对其已经有了良好的理解，再加上基于汽车，娱乐，航空和陆基通信市场应用的强大产业，已经建立起了不连续增强金属在航空工业中经济有效的基础。

欲了解更多信息，请联系科罗拉多州丹佛洛杉矶马萨诸塞州洛克希德马丁航天系统航空运营部高级结构与材料与热控组。

图一：航天飞机轨道器的中部机身结构就包含硼铝管。 （图片由美国空军/ 美国宇航局提供）

a b

图2：a由P100 / 6061 Al材料制造的高增益天线波导/臂架早在这种材料被大量应用在哈勃望远镜中之前，就已经在哈勃望远镜上的到应用。

b在哈勃望远镜上部署在近地轨道上的空间穿梭轨道器。

a

b

图3.通过真空辅助铸造工艺生产的P100 / AZ91C Gr / Mg管：（a）铸态管，（b）展示Gr / Mg桁架结构。

a b

图4.铸造SiCp / Al附件配件：（a）桁架节点的多入口配件，（b）铸造配件钎焊到Gr / Al管。

a b

图5.用于电子封装应用的不连续增强的铝基复合材料：（a）用于远程电源控制器的SiCp / Al电子封装（照片由洛克希德马丁公司提供），（b）铸造Grp / Al组件（由MMCC公司提供的照片）。

钛对Al / C界面结构影响的TEM检查

摘要

通过透射电子显微镜（TEM）研究了在不同加工参数下熔融Al或Al-6Ti合金和致密碳材料（玻璃碳或碳纤维）之间形成的界面的结构和化学性质。发现如果加工条件（例如在挤压铸造工艺中）确保了系统中的动力学相容性，那么Al与Ti的合金会通过形成TiC代替不希望产生的Al4C3来改善Al / C体系中的化学相容性。

  1. 介绍

用碳纤维增强的铝基复合材料被称为轻量结构应用的工程材料。 Al / C体系是反应性的，其特征在于即使在接近Al的熔点的温度下Al4C3也会在界面生成。由于Al4C3是脆性和水溶性的，因此其存在导致界面的弱化，并大大降低了复合材料的机械性能和耐

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