金属基和陶瓷基复合材料发展现状及其在兵器上的应用.pdf

金属基和陶瓷基复合材料发展现状
及其在兵器上的应用

炮兵技术学院蒋凡

引言

复合材料通常包含增强相和基体相。增强相的形状有一维的纤维、二维的薄
片、三维的颗粒及多维的四向、七向、十一向编织的碳碳基体相包括高
聚物通常是树脂、金属和陶瓷三大固体材料。其中树脂基复合材料如玻璃钢、碳
纤环氧、纤环氧等发展最快,应用亦广。但由于它们不能在较高温度下长
期工作,因此近年来致力于寻求金属基和陶瓷基复合材料。一般说来,长期在高于拍。
卯℃条件下工作必须由高分子基过渡到金属基,长期在。℃以上工作,必须由金属
基过渡到陶瓷基。例如,燃气轮机由于具有转速高、功率大、热效率高、经济性好等特
点,故广泛用作高性能飞机、大型船舰、核电站等最主要的原动机。六十年代以来,又
开始进行燃气轮机用于战车的研究。然而提高燃气轮机的热效率有赖于提高涡轮进口温
度,用经典的工艺制得的超耐热合金叶片最高工作温度极限为。℃,要承受更高的温
度,只有采用新工艺制造出金属基和陶瓷基新型材料和复合材料。
二、金属基复合材料

金属基复合材料与树脂基复合材料相比,它具有耐高温、高强度、高模量、高韧
性、横向机械性能好,层间剪切强度高等特点。此外,还具有耐磨损、导电、导热、不
吸湿、不老化、尺寸稳定、再现性好等优点。根据增强相不同,金属基复合材料分以下
四类
晶须增强金属
晶须强度可接近材料的理论值,但制造成本高,故至今尚很少在实际中应用。六十
年代以来,研制出一种通过控制熔体凝固、在金属基体内自身生长晶须而制得的自增强
金属复合材料。例如镍基、钻基共晶高温合金、铜一铬合金定向凝固时,便能“白生”
出各向异性的显微两相组织。已对卜系统进行过的研究表明直径为几个微米的单
轴向排列晶须,其强度为’,已应用于铝基体中。目前采用使合
金熔体在一个有规则的温度梯度场中,进行冷却凝固,制出肠含量的单晶晶
须〔三’。若能制得含有肠的晶须,则其性能将更为优良。这种高温合金定向凝固技术
已在涡轮叶片上得到实际应用。
纤维增强金属
纤维比晶须制造容易。问题是纤维与金属基体结合比与树脂结合要复杂和困难得
多。目前见诸成效的有
硼纤铝复合材料
制备工艺采取扩散连接法或等离子体喷徐法。通常硼纤维体积占。。硼纤
铝合金的一三硼纤〔铝合金的“、二一琶,。据报
导,轨道飞行器一号系统的飞船、发动机舱及支承柑架由于采用了硼纤铝合金,较原
来减轻重量弓。
碳纤铝复合材料
碳纤维和铝不浸润,且在弘。℃下形成月,故通常先在碳纤维表面电镀或化学
镀一薄层铜或镍,然后让熔融的铝液在压力下渗入有镀层的碳纤维中间,直接铸成所需
形状的碳纤铝复合材料的零部件。当这种复合材料含连续碳纤维为。肠体积时,其比
重为,比铝合金轻肠,其弹性模量高达三,为铝的三倍,疲劳极限
为铝的二倍。在三℃的高温下,碳纤铝的弹性模量儿乎无变化,而未增强的铝合金则
显著下降。碳纤铝已用作直升飞机横梁、框架、起落架滑轨和支柱以及人造卫星零
件。
纤铝复合材料
纤维增强铝合金,可用作坦克履带、军用桥梁等。据报导,用它制成跨度为
米的桥梁,只有吨重,而刚度比铝合金提高肠。此外,它还用作飞机的蒙皮、壁
板、横梁等结构件。
碳纤钦复合材料
碳纤维增强钦合金,在℃的高温下仍能保持其强度,可用作发动机零件。
此外,还可用硼纤维或纤维增强钦合金,它们的耐热性都好而受到人们的重
视。
难熔金属丝增强金属基材料
在火箭喷咀型芯上边缠绕钨丝,边用等离子体喷涂钨,最后脱掉型芯,经精加工而
成钨纤钨喷咀。
用钨纤维增强或。制成穿甲弹芯,可提高弹丸强度及韧性。
钨纤维增强耐热合金,可使涡轮部件的使用温度比现有工业耐热合金提高。℃。
在的镍铬合金中含有。肠体积的直径约协的铂纤维,纤维表面用气
相沉积法覆有协厚的热稳定性好的或保护层。制成的叶片在℃下
小时的持久强度比单用镍铬合金提高三倍以上。
层压复合材料
层压金属复合材料是由两层或多层不同金属组成的。层与层之间通过轧合、挤压、
熔合、粘结、钎焊、爆炸焊接等工艺相互完好地结合在一起。它在兵器上得到较广泛地
应用。
双硬度金属装甲
①双硬度钢装甲。如苏联装甲钢技术条件规定高硬度装甲为只,低硬
度装甲为叩一。

,
②双硬度钦装甲。据报告’’介绍面板采用一一子一一,背板为
一一,用热压扩散粘结办法复合,总厚度三,可防御和穿
甲弹的多次射击而不破坏,可用作空降、空投等特殊需要的装申车辆和飞机等防护装
甲。
③双硬度铝装甲。美国专利“〕推荐一种由两种硬度的铝合金制成的复合装甲,其

‘
面板为卜一一一。一,。。一一,,背板厚度为复合板总厚
度。。该板以轧制、爆炸等方法结合,具有较好的防护性能。此外,还制造了面
板为铝合金、背板为。幻铝合金的复合装甲。
④钢钦复合装甲。面板用钢,背板用钦,为避免钦和钢形成低熔点的相
℃,用铬作中间层。