炭纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間： 2021/12/22

　　　　　　　　　炭纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用
　　1、炭纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料
炭纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料中研究較多、應(yīng)用較廣的一種復(fù)合材料。由于它具有密度小，比強(qiáng)度高、比模量高，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，高溫強(qiáng)度及高溫下尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域特別是航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
Cf/Al復(fù)合材料用作NASA空間望遠(yuǎn)鏡的大型天線支桿，NASA空間望遠(yuǎn)鏡如圖4．36所示。當(dāng)對(duì)太陽面與背太陽面的溫差達(dá)120℃時(shí)，能夠保證望遠(yuǎn)鏡的安裝位置不因溫度變化而變化。其彈性模量(E)大于358GPa，熱膨脹系數(shù)(a)接近于零。
　　

　　圖1 NASA空間望遠(yuǎn)鏡
DWA公司用石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為NASA和Lockheed公司制造衛(wèi)星上的波導(dǎo)管。復(fù)合材料波導(dǎo)管不僅軸向剛度高、膨脹系數(shù)低、導(dǎo)電性能好，而且比原來所用的石墨/環(huán)氧一鋁層復(fù)合制成的波導(dǎo)管還輕30％。
cf/Al復(fù)合材料圓筒形艙體構(gòu)件比壁厚大一倍的鎂合金艙體的結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高3倍和3.5倍，復(fù)合材料縱向彈性模量為230GPa，彎曲強(qiáng)度為1400MPa，耐空間輻照環(huán)境特性優(yōu)異。
　　2、炭纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料
鎂基復(fù)合材料是繼鋁基復(fù)合材料之后又一具有競(jìng)爭(zhēng)力的輕金屬基復(fù)合材料，主要特點(diǎn)是密度低、比強(qiáng)度和比剛度高，同時(shí)還具有良好的耐磨性、耐高溫性、耐沖擊性、優(yōu)良的減振性能及良好的尺寸穩(wěn)定性和鑄造性能等；此外，還具有電磁屏蔽和儲(chǔ)氫特性等，是一類優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)與功能材料，也是當(dāng)今高新技術(shù)領(lǐng)域中最有希望采用的復(fù)合材料之一；在航空航天、軍工產(chǎn)品制造、汽車以及電子封裝等領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用前景。炭纖維/鎂復(fù)合材料如圖2所示。
　　

　　圖2炭纖維/鎂復(fù)合材料
在美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局以及美國(guó)空軍資助下，洛克希德一馬丁公司和緬因纖維材料公司采用真空輔助鑄造的方法成功制備了石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料管材，以期利用連續(xù)炭纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料高比強(qiáng)度、高比模量的特點(diǎn)應(yīng)用在航天飛機(jī)桁架結(jié)構(gòu)中。
　　美國(guó)MMCC公司在美國(guó)空軍、陸軍和NASA等的資助下，大力開發(fā)高模量石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的太空反射鏡、遮光罩，以期將炭纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料膨脹系數(shù)低、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)應(yīng)用在EKV(外大氣層殺傷攔截器)、LEAP、ABL(導(dǎo)彈防御機(jī)載激光器)等國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中。
　　3、炭纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料
炭纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料綜合了銅的良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性以及炭纖維的高比強(qiáng)度和高比模量、低熱膨脹系數(shù)及良好的潤(rùn)滑性，使其呈現(xiàn)出良好的傳導(dǎo)性、減摩耐磨性、耐高溫性、耐電弧燒蝕性、抗熔焊性和抗老化等一系列優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)作為一種功能材料已被廣泛用作電子元件材料、滑動(dòng)材料、觸頭材料、熱交換材料和引線框架材料等，用于制造電刷、軸瓦、滑塊、觸點(diǎn)、集成電路散熱板、軌道交通受電弓滑板及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件等機(jī)電零部件。用炭纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料制成的慣性電機(jī)電刷工作電流密度可高達(dá)500A/cm2，實(shí)現(xiàn)了耐磨性和導(dǎo)電性的最佳配合。炭纖維/銅電刷如圖4．38所示。炭/銅復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)為6×106K～熱導(dǎo)率為220W/(m·K)，高于任何低熱膨脹系數(shù)材料。在高集成度的電子器件中有很好的應(yīng)用前景。
　　

　　圖3炭纖維/銅電刷
　　炭纖維增強(qiáng)銅合金可用于滑動(dòng)軸承和其他滑動(dòng)材料，具有良好的減摩耐磨性能和較高的力學(xué)性能，是含有石墨、二硫化鉬等固體潤(rùn)滑劑的軸承材料所無法企及的；炭纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料制成的慣性軌道交通用受電弓滑板力學(xué)性能高，不易發(fā)生滑板折斷事故，能夠較好地抵御滑板與銅導(dǎo)線的沖擊，并能改善其對(duì)銅導(dǎo)線的磨損；同時(shí)炭纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料可代替W、Mo等資源有限、價(jià)格昂貴且難加工的金屬制作半導(dǎo)體的支撐電極，因而在高集成度的電子器件中得到了很好的應(yīng)用D53J。
　　4、其他炭纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料
鎳基復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于飛行器、船舶和其他工業(yè)，具有非常好的高溫強(qiáng)度、抗氧化性能、抗熱疲勞、抗熱侵蝕等性能，它可以代替鎳基超耐熱不銹鋼使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的各組成部分在高溫下工作。
炭纖維的強(qiáng)度是純鉛的100倍，而密度只有鉛的1/7，采用炭纖維增強(qiáng)純鉛可充分發(fā)揮炭纖維的強(qiáng)化作用。采用炭纖維增強(qiáng)鉛基復(fù)合材料制造蓄電池的板柵，其抗拉強(qiáng)度比普通板柵提高15倍，重量減輕35％以上，容量增加15％，提高了蓄電池的性能。

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