金属复合材料概述

苏晓瞳

（辽阳职业技术学院，辽宁 辽阳 111004）

新型的民用飞机和旧型飞机有很大区别。特点就是复合材料被大量并且非常大面积的应用到了飞机各个部分上。通过查阅了大量的资料和文献，我们不难发现复合材料的发展现在已经发展的非常的迅速了，它不仅被应用在主承力结构而且还应用在复杂曲面结构上。其中复合材料用量从4%逐渐变成了50%。复合材料在空客A350上的大量使用就是一个很有代表性的例子。复合材料相比于传统材料有其自身的优势：能够减轻质量，还能延长使用的寿命，降低维修成本，还能够让机舱内的湿度变得很高等等，这将来都将成为一种流行趋势。

1 国际复合材料应用情况

我们从国际上看，在20世纪90年代一直到现在很多国家都已经进军复合材料这个领域了，它们已经发起很多的研究。目的是想要通过把材料进行改变后把成本降低，同时加强工艺和优势。例如，在军事制造业方面。在美国，正在研究低成本的复合材料计划简称CAI。目的就是把航空的材料成本降到最低，目前因为复合材料的使用，成本可以降低50%，实施的对象是F35战斗机并取得了成功。不仅仅是美国，整个欧洲的空中客车集团包括法、英等39个国家联合制定了TANGO计划，目的就是改变机身结构的性能，使之可以大规模的产业生产及实践。这一计划始于2000年4月1日,目标是减重20%,降低成本20%,总预算为8491万欧元[1]国外研究的重心一般都会放在军用飞机还有战斗机上，如在1990年美国已经率先研究出F-22，它的复合材料是树脂基的而且用量已经高达25%，它应用的范围也是非常的广泛有机翼蒙皮、框梁壁板等。成型工艺技术也十分的高端[2]。除此之外俄罗斯也已经研制出S-37战斗机名叫“金雕”，它也是运用了复合材料使得承重量增加了很多，使用年限也是增加了几倍，同时成本也降低了很多超过一半。同时又能满足降低红外热辐射和雷达反射截面的隐身要求,大大改进了飞机的综合作战性能。随着时间推移法德一起合作研究出了PAH-2Tiger武装直升机，它的复合材料用量更多，应用的部位也是更加的广泛，甚至到了垂尾。美国最新研制的轻型侦察攻击直升机RAH-66,具有隐身能力,复合材料用量更是高达机身结构质量的51%左右。综上所述美国在复合材料的使用上是高于其他各国的。

以上所阐述的都是复合材料在军事上的应用，相比于军用，复合材料在民航领域的应用起步还是相对较晚的，是从20世纪40年代开始的。法国利用了GFRP透波性好的特点来制造机载雷达罩。之后美国研制出了第一架全塑飞机，并已经成功升天。它用GFRP制作了飞机的大部分的零件。这一技术让飞机的质量降低了很多，因此飞机的承载力变大了。法国和意大利联合研究出ATR-72客机，其中符合材料的应用量已经达到20%，达到了军事飞机的使用量的水平，它主要应用在机翼部分，还不是特别的广泛。欧洲的A-300空中客车系列已经发展很多年了，从1970年开始就已经利用复合材料了只是3%，经过30年后用量已经增加到20%左右。现在最新的A380飞机在复合材料的用量又增加了两个百分点。以上可以看出复合材料使用的比例逐年增加。美国研究的B-7E7飞机上的用量已经高达50%。这已经是创纪录了。几乎主要的结构都可以看见复合材料的踪迹[3]。

2 国内复合材料应用情况

中国航空方面对复合材料的研究起步相对要晚一些，虽然中国航天方面已经形成了自己的体系，但在复合材料应用的方面与国外的应用情况还是有一定的差距的，因此我们可能有很多材料是需要依赖国外进口的方式才能够应用到我们自己国家的飞机上，这也很大的影响了我们中国航空航天领域的发展，加大了我们的制造成本。因此我国对航天制造技术越来越重视也加大了投入，培养各类人才提高他们的制造技术，包括总体布局设计、选材以及制造一体化系统。

复合材料有优点，也有缺点，由于我们所研制的是全新的材料，也是全新的生产工艺，结构和技术也同样是全新的，没有前人的引领有一定的风险性。我们过度地相信这种全新的材料，波音B787研制过程中遇到了前所未有的难题，在机身整体成型上浪费了很多时间。因此，我国在研制大飞机时不要盲目的照搬照抄，在大量引进新材料和新工艺，应该根据自己的实际情况不盲从，一步一步的研发。这就要求研发的工作人员应该吸取教训，我们不能只是单纯地考虑这个飞机制造材料有多么的先进，虽然有优点但不能只注重优点，要根据我们自身看是否能驾驭得了这些优点，我们能否拥有那么高超纯熟的技术去利用这个材料。空中客车公司原来的A350设计方案是在A330设计方案的基础上修改而成，计划机体复合材料用量仅为35wt%，远远落后于波音B787。2005年，迫于在客户的抱怨和外界的压力，处于困境之中的空客A350不得不重新修改设计方案，经过两年之久，历经推翻确定在推翻在确定。A350客机的最终设计方案才宣告确定。但是由于设计方案的改变以及由此带来的制造技术问题，造成了时间和金钱的严重浪费。A350客机的研制计划不得不推迟整整3年，研制费用达到100亿欧元，是之前计划的2倍。

3 金属复合材料的应用研究

（1）热双金属。热双金属是由二层膨胀系数不同的合金沿层间接触面结合在一起的复合材料。高膨胀系数的合金层称主动层，低膨胀系数的合金称被动层。在加热时，由于两层的膨胀系数不同，主动层伸长得多，于是金属片就向被动层弯曲，这样就可以把热能转换成机械能，产生一定的力和位移。因此可作用测量或者控制仪表的传观元件。为了消除双金属在加工过程中产生的残余应力，需根据牌号信息的不同选择不同的稳定化热处理工艺。采用热轧结合法产生R系列热双金属，与其他方法相比，提高比成材率和产生率，降低成本。

（2）符合框架材料。金属符合材料生产工艺大致分为三步：组员金属预处理，金属压缩变形和扩散热处理。首先将铜带和铝条分为用钢丝抛光，去除表面氧化层，直到露出新鲜的金属表面，而后采用四锟冷轧机进行室温下固相结合，为了保证铝条按设计要求局部地复在铜带上，用特制导卫装置控制铝条走向，一次冷轧压下率达到70%左右，在张力下冷轧，固相结合的复合带材胚料去油后，立即在真空下进行450oC，3h扩散退火，在冷至成品。

4 复合材料研究新进展

复合金属材料在汽车中用于结构或半结构部件仍处于飞速发展中。在金属复合材料市场上，大约有35种汽车部件的制备已经采用此生产材料。当前有两种方法可以生产纳米颗粒弥散强化的大块非晶态合金符合材料。采用铜模铸造方法能够制得含有纳米颗粒的分散强化的非晶合金基复材料，这种合金溶体在凝固时形成纳米和微米尺寸的磷化物颗粒均匀分散于非晶体中。

5 结语

金属复合材料的“相补效应”，使其具备各组元的优良性能，能够发挥单一金属难以起到的作用，具有经济性和功能性兼备的优势。在现有的金属复合技术上，开发以低成本、高质量为中心，促进生产过程连续化和短流程化的新金属复合技术，将成为各国科研人员的重要课题。

[1]易健宏,杨平,沈韬.碳纳米管增强金属基复合材料电学性能研究进展[J].复合材料学报,2016,33(4):689-703.

[2]张丹丹,战再吉.石墨烯/金属复合材料力学性能的研究进展[J].材料工程,2016,44(5):112-119.

[3]李涛,闫翠霞,黄启祥,等.石墨烯-稀贵金属复合材料的制备及其研究进展[J].热加工工艺,2016(2):23-27.