碳纤维增强金属基复合材料翻译.doc

Metal-Matrix Composites forSpace Applications-Suraj Rawal应用于航空航天的金属基复合材料航空航天研究开始初期，有机复合材料和金属基复合材料都应经通过特定的高刚度和接近为零的热膨胀系数开发为空间应用。过去的30年里，在有机复合材料模型中，石墨环氧化合物已被应用于空间 架元素、巴士板、天线、波参考线和抛物线反射体。金属基复合材料具有耐高温、高导热能力、低的热膨胀系数和特定的高刚度和强度。二十世纪八十年代末，这些潜在的优势让人们对金属基复合材料应用于主要空间系统抱有积极乐观的态度。这篇文章的目的在于详细描述金属基复合材料应用于航空航天的历史、地位和前景。简介空间中极端环境给研究材料的科学家提出了机遇和挑战。在近地球轨道，航天器会遭遇到一些太空中自然产生的现象。例如：真空、热辐射、氧原子、电离辐射和血浆。还伴随有例如微流星体和人为产生的碎片等因素。例如：国际空间站。在其30年的研究期间，当其运行至或运行出地球的影子时，将经历从125到-125的175.000次热循环。重返地球和火星的飞行器可能会遭遇到超过1500的高温情况。因此，主体飞行器的任务要求轻量级的空间结构、高精度指向、范围内的动态稳定性和热扰动。复合材料，其特定的高刚度和低的热膨胀系数为产生轻量和范围内相对稳定的结构提供了必要的特性。因此说，有机基质和金属基复合材料已为空间应用开发。尽管有成功的金属基复合材料成品如连续纤维增强硼 铝、石墨 铝和石墨 镁。出于对制造业的缓解和检查、扩大和成本问题的考虑，这一技术投入受到了限制。有机复合材料继续成功地解决系统级问题。这些问题是关于在热循环、辐射暴露和电磁干扰屏蔽中产生的裂纹。金属基复合材料天生就抵触这些因素。同时，非连续增强金属基复合材料如碳化硅系增强颗粒 增强铝颗粒和铝玻璃钢复合材料被开发成为既为航空航天应用(例如电子包装），又为商业应用，具有成本效益。本文介绍的是在美国太空项目中不同金属基复合材料的优劣势和前景。历史角度 从历史上看，金属基复合材料如钢丝增强铜，是作为模型系统研究的连续纤维增强的复合材料中的一员。二十世纪六十年代末，航空航天界的高性能需求促进了前期的初始工作。通过这些发展和努力，其性能而非成本是第一驱动力。硼丝，这一大力度、高模数的增强型材料同为金属和有机基复合材料而开发。由于纤维强度的退化和铝熔体合金的低湿润性，早期的碳纤维只能适当地增强有机基质的性能。因此，发展金属基复合材料主要是针对扩散焊接加工。同时，优化（空气稳定）表面涂层是为了开发硼，方便湿润石墨纤维和抑制铝或镁合金在加工过程中的反应。金属基复合材料处理技术 有三种处理方法主要用于开发金属基复合材料：高压扩散焊接、铸造和粉末冶金技术。更具体来说，扩散连接和铸造方法已用于连续纤维增强金属基复合材料，粉末冶金和协助压力铸造工艺生产用于非连续金属基复合材料。金属基复合材料如硼 铝、石墨 铝、石墨 镁和石墨CU已经用扩散法生产出原型航天器的粘接组件如管材、板材和嵌板。特性 表1列举了几个连续纤维增强金属基复合材料的典型特性。一般情况下，衡量过的金属基复合材料的属性符合每个分析预测过的复合材料的属性。同其相似物有机基质复合材料相比，金属基复合材料的主要优点是其最大化的经营温度。例如：BAl提供可达510的力学性能，而等效的BEp 仅限于复合材料约190。此外，金属基复合材料如GrAl、GrMg和GrCu都表现出较高的热导率。这归结于金属矩阵对它们的贡献。表2列举了应用于航天器和商业应用程序的非连续增强铝的特性。DRA是有特定的力学性能的各向同性的金属基复合材料。它优于常规的航空航天材料。例如:DWA铝复合材料已经生产出金属基复合材料，其中使用6029和2009的矩阵合 金是为结合强度、延展性和断裂韧性，使用6063矩阵合金是为获取高导热性。同样的，金属基复合材料公司还制作了石墨颗粒增强铝复合材料用以优化特定的高导热率和CTE的组合。应用尽管对高精度、尺寸相对稳定的航天器的渴望促进了金属基复合材料的发展，但到目前为止应用程序还是受到复杂的制造工艺的限制。连续纤维增强金属基复合材料的首次成功应用是BAl管状压杆的应用。这一应用被用于飞机机身中部的框架和肋 架部分，并作为起落架拖的空间的链接航天飞机轨道飞行器（图1），为每个航天飞机轨道飞行器还制造了几百钛的B铝管程序集制作项图和结束管接头。在这一应用程序中，B铝管提供了高于基线铝设计的45百分号的重量。主要应用程序Gr铝复合材料是以高增益天线(图2）。它的哈勃望远镜的支臂由在6061铝中的石墨纤维扩散焊接板所组成。这一支臂（3.6米长）提供了服务所需的刚度和低CTE用以维护在空间演习中天线的位置。此外，它还提供波导的功能，有着金属基复合材料的优秀电导率，使得在航天器和天线之间存在电流信号传输。助此功能成功应用的还有金属基复合材料的高尺寸稳定性材料维护内部尺寸，允许在整个长度上有正负0.15毫米的公差。虽然目前用于服务中的部分是连续增强石墨纤维，拥有着更便宜的DRA的代替品已经被认可。如同GrAl结构型支臂，几个金属基复合材料被设计用于多种用途，如结构电气和热控制功能。例如：原型GrAl复合材料被开发作为结构散热器，要执行结构功能、热功能以及EMI屏蔽功能。同时，拥有高导热性的Gr铜金属基复合材料被开发成长为高温度结构辐射器。DRA面板用于两个电路板之间的散热器，提供热度管理和防护柔性电路板和振动，这可能导致电路板中的组件过早失效。在美国国防部Advanced Research计划署和美国空军赞助的技术发展计划中，石墨镁管 架结构的真空辅助的应用程序的缠绕 铸造工艺成功地制作出了（由科罗拉多州的洛克希德马丁空间系统和缅因州的纤维材料联合）。图3显示了几个被制作出来的GrMg管（直径50毫米、长1.2米),用以演示重复性和可靠性的制作方法。在DRA复合材料中，增强颗粒SiCpAl和（w)SiCwAl在1980年被广泛地定 性和评估。潜在的应用程序包括接头和 架附件配件结构、机身纵梁、电子包、热飞机、轴承座机智和轴套。图4显示了进气道SiCpAl 架节点。由于它们高热导率的组合，可设计排序CTE（用以匹配电子材料的CTE，如镓砷化物或氧化铝）和低密度DRA复合材料是电子包装和热管理应用的特殊优势。几个SiCpAl和GrpAl(图5）电子包装可应用于空间应用，现在正使用于通信卫星和全球定位系统卫星上使用。这些组件不仅比之前金属合金产生的组件要更轻，而且他们还通过网状制造节省了一笔不少的成本费。DRA还可用于热管理，而热管理功能用于与地球轨道运行同步的通讯卫星上的航天器电力半导体器件，取代有更高密度的Cuw合金和较低的热导率，节省超过80百分号的重量。这块模板还被用于基于土地的系统中，每年将近1万件零件的产量。有了这些事实证明的好处，为电子包装的DRA金属基复合材料继续于空间应用中蓬勃发展。地位和前景当连续纤维增强金属基复合材料不再适用于关键战略防御系统任务。这些金属基复合材料在空间应用程序中的发展就会停滞下来。主要的改进还是很有必要的，制造和装配问题仍待解决。本质上，连续纤维增强金属基复合材料不能达到航天器应用程序中全部工程材料的最大潜力值。在同一时期，在单轴线纤维导向中，拥有卓越的特定刚度和强度的GrEp成为航天器 架中管结构的既定选择。在空间环境中的环境稳定性问题已得到圆满解决。然而，颗粒增强金属提供有很好的强度和刚度。各向同性的属性，易用性到近净性，优异的热性能和电性能有负担能力。这些都使得非连续性金属基复合材料适用于一系列的空间应用程序、高结构效率和非连续增强金属的各向同性的属性提供给 架节点所需的多轴加载以一个良好的匹配，在此会遇到高负荷。DRA是轻载 架的候选者 。然而非连续增强钛更适用于高载 架。DRT，在美国和日本适用于商业用途，提供了绝对优异的强度和刚度以及特定的强度和刚度。非连续增强金属还存在有一系列广泛的附加应用程序。热管理和电子包装所带来的机会包括散热器板和电池的套管、功率半导体封装、微波模块、黑箱罩和印制板散热片。例如：照相机三、军事通信卫星，为微波包装使用了超过23斤的Kovar。用AlSiCp来替换金属，用于基于土地系统中的热管理，它会节省超过13公斤的重量，并提供高于Kovar组件的成本储蓄。潜在的卫星子系统应用程序包括小臂架和由金属制成的托架，这一托架有较低的强度和刚度。金属基复合材料通常是主要和次要结构程序的候选材料。然而，仅仅拥有卓越的强度和刚度，并且对环境有抵御能力。连续增强金属基复合材料的可用性和可承担性是阻止其涉入的主要障碍。设计师在选择材料时必须更加熟悉存在的非连续增强金属的属性、商业可用性和生命周期可负担能力，材料必须与创新设计和可承担的制造系统拥有有形优势的系统和子系统的方法相一致。然而，由于缺乏系统拉动和充足的资源，很难超越技术和成本的障碍。认识到这一防御和航空航天驱动的材料需要转向商业市场上，Carlson引用了四个周期性原则，这些原则将描绘出先进材料如有机基质和金属基复合材料的未来。这四个原则包括系统解决方法、经济上的制造加工、不同的市场和新的技术。就系统解决方案而言，关于设计、决策过程和材料的方案必须同时施行以便获取最大的效益。一项单项任务或系统应用程序是不可能维持开发新材料和新程序的成本的。因此，在不同市场上使用DRA。例如汽车、康乐、飞机等行业使得DRA金属基复合材料能够负担起航天器应用程序的应用。例如电子封装的应用程序。建立在汽车和航空领域中电子包装和结构应用上的DRA的成功，DRA在 架结束管接头机制轴承座和机身纵梁架上也小有成就。在金属基复合材料的发展过程中，最重大的进步在于基础的科学和技术研究，包括对复合行为的纤维矩阵接口、表面涂料制造流程和金属基复合材料的热-机械过程的基础了解。随后，这一技术经验还造福于之后的耐高温金属间化合物的复合材料的开发。(参考条目9讨论了关于空间应用程序支持金属基复合材料广泛应用的一些研究活动）轻量级、僵硬和强劲的GrAl和DRA金属基复合材料将继续包括在航天器组件的材料贸易的研究学习当中，因为金属基复合材料就其性能而言（例如高精度、可生存）给特定的系统提供了巨大的回报。在空间应用程序中的成功使用，连续金属基复合材料必须更便宜，更有可用性、可靠性、可再生性和可修复性，表现出比与其竞争的石墨环氧化合物或其它金属部件相当或更好的属性。非连续金属，其范围广泛的功能属性包括有高结构效率和各向同性的属性，为一个大范围的空间应用系统提供了最大的发展潜力。数年的研究所得到的深刻的理解和包括汽车、康乐活动、航空和陆地通信市场产业。基于应用程序的强劲产业已经为非连续增强金属在航天产业中的发展打下了坚实的基础。参考文献References1. 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