碳纤维增强金属基复合材料翻译.doc

Metal-MatrixCompositesfor
SpaceApplications
------SurajRawal

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：B\Al提供可达510℃的力学性能，而等效的B\Ep仅限于复合材料约190℃。此外，金属基复合材料如Gr\Al、Gr\Mg和Gr\Cu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B\Al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