摘 要
毫不避諱地說，現(xiàn)代復合材料科學始于金屬基復合材料（metal-matrix composites，MMC）。然而，這些最早誕生的復合材料后來卻被碳纖維增強聚合物（CFRP）所取代。與此同時，陶瓷基復合材料（ceramic matrix composites，CMCs) 和碳-碳復合材料（carbon–carbon composites，CCC）等其他一些碳纖維復合材料也得到了迅速發(fā)展，并成功地應用于某些領域。
就全球技術影響而言，CFRP絕對占據(jù)主導地位，但是在許多應用中CFRP卻無法取代金屬，其原因有兩個：第一，聚合物的使用溫度有限；第二，聚合物基復合材料的斷裂韌性相對較低。CMC和CCC主要用于特定應用領域，例如燃氣渦輪發(fā)動機的葉片、熱交換器、醫(yī)療植入物、熱保護結(jié)構(gòu)和制動器等。
未來10年或20年，碳纖維增強金屬、基于難熔金屬和高熵合金的高溫復合材料有望成為航空航天材料和其他技術領域的下一次飛躍，正如幾十年前CFRP推動這些技術領域的發(fā)展一樣。碳纖維/金屬基復合材料（CFMMC）在未來的金屬基復合材料中占據(jù)著特殊的地位，因為（i）各種具有不同性能的碳纖維CFMMC已經(jīng)被開發(fā)出來，有些仍在開發(fā)中；（ii）CFMMC的制造工藝、微觀結(jié)構(gòu)和機械性能方面的豐富知識已經(jīng)積累起來，為人們在結(jié)構(gòu)材料領域經(jīng)驗提高奠定了基礎。
本系列專題文章主要回顧了鋁基、鈦基和鎳基復合材料研究進展，在本文中首先討論了金屬鋁基復合材料研究現(xiàn)狀。
自從碳纖維出現(xiàn)以來，便立即引起了金屬基復合材料領域研究的關注，第一種基體材料就是鋁。碳纖維/鋁基復合材料的成為CFMMC領域研究熱點。隨著時間的推移，人們對這類復合材料的興趣已經(jīng)從結(jié)構(gòu)應用轉(zhuǎn)向高導熱性很重要的應用。在下文中，C–Al復合材料的本質(zhì)將略有提及，因為我們將關注機械性能對復合材料結(jié)構(gòu)應用的重要性。
碳纖維/鋁基復合材料的主要問題為碳-熔融鋁的相互作用導致碳化鋁Al4C3的形成。充滿缺陷的碳化物層導致纖維強度下降，而碳化物層厚度隨著時間的推移而增加，復合材料強度下降，如下圖1所示，該圖通過在800°C–36 MP–90 s下壓力鑄造得到的碳纖維/純鋁基復合材料，然后在600°C下熱處理制備得到，纖維體積分數(shù)為14%，加熱60小時后，約10%的碳纖維轉(zhuǎn)化為碳化物。
圖1 碳纖維/鋁基復合材料的強度與600°C退火時間的關系
關于碳化鋁對復合材料強度影響的最有趣的數(shù)據(jù)可能是由Portnoi等人發(fā)表的。研究人員通過在670至760°C的溫度下壓力鑄造1分鐘來制備復合材料。通過改變鑄造溫度會導致碳化物含量的變化，進而影響復合材料強度的變化（圖2）。
圖2 碳纖維/鋁基復合材料的彎曲強度與界面處碳化物相含量關系，其中纖維體積分數(shù)為46%
注意，復合材料的強度隨著碳化物體積分數(shù)從約0.01增加到約0.03而增加。碳化物含量的進一步增加導致復合材料強度的降低。這可以通過纖維-基體界面的相應變化來解釋。鋁熔體不會潤濕碳，因此短時間的熔體-碳接觸會產(chǎn)生一層薄的碳化物層，這為纖維-基體界面提供了強度；但是充滿缺陷的厚碳化物層導致纖維退化和界面強度降低。
部分研究人員針對M40J基高模碳纖維和純鋁基體復合材料中碳化物界面的形成進行了細致的研究，他們通過在750°C–25 MPa–10 min條件下采用壓力鑄造制備了試樣。發(fā)現(xiàn)由于碳快速擴散到熔體中，纖維表面缺陷上會出現(xiàn)碳化物夾雜。碳化物夾雜的生長導致相鄰纖維之間形成脆性橋。纖維團簇降低了復合材料的強度。
在過去的幾十年中，碳纖維/鋁基復合材料主要是作為具有高導熱性和足夠高強度的非結(jié)構(gòu)應用材料而發(fā)展起來的。比如，采用強度為2200MPa、軸向?qū)嵯禂?shù)為396w/（m?K）的連續(xù)中間相碳纖維和純鋁作為基體材料。在接近鋁熔點的650℃熱壓下制備了復合材料試樣。
復合材料微觀結(jié)構(gòu)照片顯示了一種非晶物質(zhì)和一定數(shù)量的碳化物晶體，其強度和熱導率的測量結(jié)果如圖3所示。復合材料中臨界纖維體積分數(shù)約為40%。在實際制造過程中纖維和鋁之間的相互作用會導致纖維性能退化。復合材料在橫向上的導熱系數(shù)很低，這是由纖維上包覆的碳化物涂層的低導熱系數(shù)決定的。
圖3 碳纖維/鋁基復合材料的強度和熱導率與纖維體積分數(shù)的關系
