碳纤维增强铝基复合材料及其构件的空间环境特性

武高辉，张云鹤，陈国钦，修子扬，姜龙涛，苟华松

（1.哈尔滨工业大学金属复合材料与工程研究所，哈尔滨150001；2.东北林业大学机电工程学院，哈尔滨150040）

1 引言

金属基复合材料（Metal Matrix Composite，MMC）是以金属为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工合成的材料。它与聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料一起构成现代复合材料体系。目前对铝基、镁基、铜基、钛基等金属复合材料研究较多，其中铝基复合材料的研究和应用最为广泛。金属基复合材料品种繁多，按增强体类型还可分为连续纤维增强和非连续增强两大类，非连续增强包括颗粒增强、晶须增强、短纤维增强等。与树脂基复合材料相比，金属基复合材料具备耐热性、耐辐照、不气化、不老化、导热、导电等特性，在导弹、电气机械、火箭推进系统、运载火箭结构和航天飞机等方面有广泛应用前景[1-2]。在现今的各类材料中，碳纤维增强铝基复合材料（Cf/Al）具有高比强度、高比刚度、低热膨胀、良好的尺寸稳定性等优异的性能，倍受航空航天部门的广泛关注[3-7]。国外已有在卫星波导管、天线骨架、卫星桁架等对重量、强度、刚度要求很高的航天、航空部件应用的报导[8]。

Cf/Al复合材料的空间应用首先要突破Cf与Al的界面反应问题Cf/Al复合材料高品质制备技术问题、Cf/Al复合材料复杂形状薄壁构件成型问题等技术障碍。作者发明了Cf/Al复合材料还原气氛—快速压力浸渗制备技术[9]，有效地抑制了碳纤维高温损伤、碳纤维和铝合金界面不良反应等问题，成功制备出高致密、高刚度、空间耐候性能好的航天用碳纤维增强铝复合材料。发明了复杂薄壁构件的一次成型方法[10]，低成本地制备出变直径回转体构件、变截面多法兰复杂构件、热膨胀可设计、高尺寸稳定性的光学构件。

本文综述了Cf/Al复合材料面向空间应用的基础性能的研究成果，包括Cf/Al复合材料的组织、常温力学性能、热膨胀性能、尺寸稳定性以及在空间辐照环境下的力学性能，以及Cf/Al复合材料的结构件的力学性能特点。

2 Cf/Al复合材料的显微组织

图1给出了采用压力浸渗专利技术制备的Cf/Al复合材料（单向增强）的金相显微组织，从中可以看出碳纤维在铝基体中分布均匀，纤维和基体结合良好，复合材料无孔隙等缺陷。这种组织特点将使纤维均匀承载，同时基体会将载荷有效地传递给纤维，从而得到较理想的性能。

图1 Cf/Al复合材料金相组织

3 Cf/Al复合材料的比强度和比模量

Cf/Al复合材料是一种轻质高强的材料。采用压力浸渗法制备的Cf/Al复合材料的密度为2.1g/cm3～2.2g/cm3，比钛合金轻一倍。高强度是Cf/Al复合材料的最重要的性能特点之一，单向材料的弯曲强度达到1400MPa以上，拉伸强度为973MPa，模量为230GPa。

图2列出了先进复合材料与其他传统材料的比强度和比模量的对比。可见，Cf/Al的比强度最高，达到667 MPa·cm3/g，是钢的6倍，为钛合金和铝合金的 3～3.5 倍。比模量达 110 GPa·cm3/g，是钢、铝合金和钛合金的3倍以上，而与其它复合材料相比也要高出1倍以上。Cf/Al复合材料这种优异的轻质高强的材料特性为航天结构轻量化、高精度提供重要的技术保障。

图2 传统航天材料和Cf/Al复合材料的比强度（a）和比模量（b）

4 Cf/Al复合材料热膨胀性能

不同种类的碳纤维沿着纤维方向的膨胀特性有所不同，通常用于金属基复合材料的碳纤维具有负膨胀特性，因此Cf/Al复合材料可以获得较低的热膨胀系数。本文所述的体积分数为55%的单向增强Cf/Al复合材料在纤维方向上的热膨胀系数为（0～2）×10-6℃-1，（20℃～490℃），垂直纤维方向上为（17.05～20.25）×10-6℃-1，（20℃～490℃）。对于大型光学系统构件和雷达天线等元件，热膨胀是最重要的性能之一，因此它是制造这类构件的理想材料。同时由于材料的热膨胀系数具有各向异性，可以通过材料设计获得不同方向不同热膨胀系数的构件。

图3 Cf/Al复合材料的热膨胀系数

图4 Cf/Al在-20℃～60℃交替变化条件下的尺寸变化

5 Cf/Al复合材料的尺寸稳定性

Cf/Al复合材料具有良好的尺寸稳定性，图4为用冷热冲击法对Cf/Al进行检测后的试验结果，可以看出：纵向尺寸相对变化小于4×10-6，横向尺寸相对变化小于12×10-6。随着冷热循环次数的增加，尺寸变化趋于恒值，说明Cf/Al复合材料具有优异的尺寸稳定性。

6 Cf/Al复合材料的空间环境耐候性

复合材料在空间飞行中要经受如超高真空度、高低温交变冲击、带电粒子照、紫外辐照等环境的损伤，开展空间环境条件对复合材料性能影响的分析对航天结构设计，充分发挥复合材料的优异性能具有十分重要的现实意义。本文研究了空间环境条件下的高真空、粒子辐照、温度等因素对Cf/Al复合材料的性能影响规律。

6.1 高真空环境下的材料行为

通常的材料在高真空度下会有逸气的特性，材料的逸气一方面会造成材料质量损失、强度下降，还容易造成仪器的污染，因此，真空下的逸气性能是材料空间应用性能的基础特性。

对Cf/Al复合材料的真空逸气性测试，试验结果如表1，作为对比，对树脂基复合材料也进行了测试。结果表明，Cf/Al复合材料的总质量损失为0.06%，水蒸气回收量≤0.01%，收集到的可凝挥发物≤0.02%，均超过航天工业部标准QJ1558－88的要求。相比之下，聚合物复合材料的质量损失和可凝挥发物较多，有机材料的逸气产物包括水，吸附性气体，溶剂，低分子量添加剂等，可凝挥发物过多有可能造成空间环境污染。

表1 真空中Cf/Al复合材料挥发性能

6.2 带电粒子辐照条件下的材料行为

Cf/Al复合材料在空间条件下，性能稳定。本文对Cf/Al复合材料的在带电粒子辐照条件下的行为进行了研究，图5为对复合材料带电粒子辐照（辐照源：60Co源；辐照剂量：3000Gy）前后的性能对比，发现辐照后的材料性能变化很小，在测试误差之内。

图5 带电粒子辐照对Cf/Al复合材料弯曲强度的影响

6.3 高低温环境下的材料强度

在低轨道中，由于地球自转，航天器不断经受太阳直射和处于太阳阴影里，对航天器造成冷热交变的环境。本文对Cf/Al复合材料分别在-40℃，20℃和100℃温度下拉伸强度和弹性模量进行了测试，结果如表2，试验证明，复合材料的性能在-40℃～100℃温度范围内变化不大，强度变化范围在±5%以内，弹性模量变化范围在±3%以内。

表2 Cf/Al复合材料在不同温度下的拉伸强度和弹性模量

7 Cf/Al复合材料结构件的成型技术及强度、刚度特性

由于纤维增强复合材料具有各项异性的特性，材料性能不能直接表征为构件的性能，对于纤维增强金属基复合材料构件性能的仿真尚没有合适的计算方法，目前考察结构件的性能还必须采用实体测试的手段进行验证。作者采用压力浸渗法制备了变直径的圆筒状复合材料舱体，纤维排布方向与舱体轴向呈 30°～45°，舱体为薄壁结构（壁厚为 2mm），与相同结构的壁厚为4mm镁合金舱体进行了静力试验对比。图6为在相同侧向弯曲载荷下复合材料舱体和镁合金舱体的变形情况，可以看出镁合金舱体的最大变形为3.2mm，而复合材料舱体的最大变形为0.9mm，复合材料舱体的结构刚度是镁合金舱体的3倍。图7为舱体的轴向压缩试验结果，试验表明，复合材料舱体轴向压缩强度是镁合金舱体的2倍。

图6 侧向载荷下舱体结构的变形

图7 Cf/Al复合材料结构与铸镁结构的轴向压缩强度

8 结束语

碳纤维增强铝基复合材料在航天领域作为高强度高刚度材料已显示出巨大的应用潜力[11-13]。随着我国在碳纤维与铝的界面反应控制、高致密制备、复杂薄壁构件成型等多项技术难题的解决，Cf/Al复合材料已经显示出在空间光学构件、卫星构件、航天器舱体、舱外航天器、力传动轴等对重量、强度、刚度、空间稳定性要求高的航天结构件上的应用前景，对新一代航天器小型化、轻量化、高精度、高可靠性的总体目标要求将产生巨大的技术保障作用。 ◇

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