连续碳纤维增强Al基复合材料及其趋势发展

郑莹莹

（江苏航空职业技术学院 航空工程系，镇江 212134）

连续碳纤维增强铝基复合材料（简称连续Cf/Al复合材料），具有比强度和比模量高、热膨胀系数低等优点，已被广泛应用于航天卫星、飞机羽翼、导弹外壳等领域[1-2]。连续Cf/Al复合材料目前存在高性能纤维强化密度小、韧性差、低成本-大尺寸制备工艺不稳定等缺陷，制约了其进一步作为民用结构材料进行应用，再加上金属液相/碳纤维界面润湿性差，科研工作者进行了大量的研究工作。连续Cf/Al复合材料一般采用连续性碳纤维增强，通常采用挤压铸造法[3]、真空压力浸渗法[4]等方法将纤维掺杂到熔融金属液相中，均匀混浆后制成复合材料。然而，气孔缺陷、界面润湿性以及不均匀性一直是技术难题，迫切需要解决。

连续性碳纤维对金属或树脂的强化作用，主要作用于Z向拉伸强度和抗形变等方面。Z向增强技术主要包括三维编织、Z-pin和缝合技术，可以有效提高复合材料的层间断裂韧性。林磊[5]将纤维相互编织成三维立体架构，作为坚强的骨架增强铝合金熔体，制备纤维增强金属基复合材料。蔺春发等[6]探讨了连续SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料的制备和界面行为，综合采用纤维表面涂层、基体合金化和降低制备温度、缩短高温区间的保温时间，减少了对纤维的反应损伤。通过中间涂层缓解碳纤维与Ti-Al金属间化合物的热膨胀系数差异，降低基体与纤维热膨胀系数的不匹配性等问题。NEUBAUER等[7]采用挤压铸造-浸渗工艺制备体积分数为20%～25%的碳预制件增强铝基复合材料，适用于在关键区域采用选择性强化的铸件制造。SEM断口分析表明，挤压铸造浸渗工艺可以获得更好的润湿性和纤维/基体之间的界面结合。

为使铝液与纤维有较好的润湿性，需在纤维表面化学镀Ni或Cu等预处理，以实现纤维与金属液相之间的界面润湿（简称湿热效应）。然而，碳纤维外层会残留有机环氧胶，直接影响金属镀层与碳纤维表面的结合强度。鉴于此，对连续Cf/Al复合材料的工艺方法进行了分析，综述了近年来国内外连续Cf/Al复合材料的研究现状，概述了碳纤维与金属之间的界面行为及解决方法，并对连续Cf/Al复合材料的发展及航天应用进行了总结和展望。

1 连续Cf纤维增强复合材料

1.1 连续Cf/树脂基复合材料

常见碳纤维复合材料包括碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）、碳纤维增强碳基复合材料（C/C）、碳纤维增强金属基复合材（CFRM）以及碳纤维增强陶瓷基复合材料（CFRC）等，其中CFRP材料具质轻高强、设计自由度大、可一体化成型等优点，应用范围最广，是航空航天等领域实现轻量化、结构功能一体化的关键材料之一。CFRP材料中基体树脂分为热固性树脂和热塑性树脂，常用的热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂和双马来酰亚胺树脂等。相对于热塑性树脂，连续Cf/热固性树脂复合材料的强度和刚度等静态性能更好，应用更加广泛。在商用飞机制造中，空客A350 XWB中采用CFRP总量达到了53%，波音787的CFRP用量达到了50%。

CFRP材料大多由单向预浸料或编织预浸料，按一定的铺放设计要求，叠合成预期的厚度和形状。经加热，树脂固化将各层粘接为整体而制成。树脂基复合材料的一个突出特点是具有优良的抗疲劳性，然而如何抑制层合板分层损伤一直是复合材料研究的重要课题之一。

1.2 连续Cf/金属基复合材料

由于具有比强度和比模量高、热膨胀系数低、可设计性强等特性，连续Cf/金属基复合材料在过去30多年中一直备受航天领域青睐。航空航天工业需要减轻太空推进系统和航天结构重量，金属基复合材料具有潜在的应用价值。例如，Cf/Mg复合材料制作卫星桁架结构、空间动力回收系统构件、空间站撑杆以及空间反射镜架等。哈勃太空望远镜的部分构件采用Cf/Mg复合材料，包括航天器轨道器的结构件、哈勃太空望远镜的天线波导竿以及通信卫星装置中的热管道。常见金属合金与复合材料力学性能比较如图1所示，图中数据来源于文献报告，其中Gr为石墨纤维。

连续Cf/Al复合材料中，碳纤维作为增强体，赋予其高的比强度、比模量和优异的耐热性能。在250 ℃时，抗拉强度仍能保持其室温抗拉强度的81%，其疲劳强度比铝合金高约40%。连续Cf/Al复合材料常采用热压扩散粘结法，其他制备工艺及应用列于表1。

表1 几种连续Cf增强金属基复合材料合成工艺及应用

2 连续碳纤维表面金属化

实验表明，碳纤维与Al基的界面不润湿，不利于形成冶金结合界面。为避免外界活性氧的卷入Al基金属中，目前采用的液态法制造工艺一般压强很高，为3～100 MPa，但高压铸造易损伤碳纤维。此外，采用熔体渗入工艺，必须在1 000 ℃以上时Al才能润湿碳纤维，但此时碳纤维与铝基易生成脆性化合物（Al4C3等），破坏了碳纤维的强度与韧性。为解决润湿性与高温冶金反应之间的矛盾，一般采用表面改性的方法，如电化学镀层或气相沉积的方法在表面制备一层镀层作为过渡层来避免不利的界面冶金反应的发生，同时提高润湿性。

Cu涂层由于化学性稳定和延展性好等特点，常用于碳纤维的表面涂层。在高温条件下，镀Cu碳纤维具有很好的相容性。研究指出：镀Cu碳纤维在800 ℃以上时，强度才略有下降。采用化学镀Cu后的纤维表面及截面形貌图，如图2所示[1,8]。

Ni涂层具有耐腐蚀和抗高温性能，被用于碳纤维表面涂层、电磁波吸收材料和电容器材料。采用置换沉淀、化学镀、电镀等方法在碳纤维表面镀镍，镍层的存在可阻止熔铝直接与纤维接触，但镍向碳纤维的扩散会损害纤维并导致石墨化。NiAl3的形成可降低基体与纤维之间的粘接力，易引起材料的脆化。为控制镍的扩散，镍层应有一定的厚度，但从防止脆性破坏和提高界面结合力角度，涂层越薄越好。综上分析，Ni涂层可以改善Al对碳纤维表面的润湿性，但作为单涂层使用，并不是理想的涂层。

非金属涂层中，Ti-B涂层可提高碳纤维与铝的润湿性，并减少Al4C3脆相的形成。在900 ℃和10-7Torr的真空条件下，润湿角降低至37°，整个过程须在惰性Ar气氛中进行，以有效阻止碳纤维和铝之间的反应。Ti-陶瓷涂层能阻挡界面反应，但不能显著提高碳纤维和铝的润湿性。历年来，发展新的纤维的同时提出了许多表面处理技术，以促进金属液相与纤维界面润湿和界面冶金结合。常见的表面改性技术，如表2所示。

表2 连续Cf/Al复合材料中纤维表面金属化涂层种类

3 界面行为研究

纤维和基体之间的界面粘结性是影响纤维增强复合材料性能的重要因素之一。在使用金属涂层时，除涂层本身能阻止纤维与基体的反应（减少M3C4脆化相出现）和提高润湿性外，同时需要促使界面有一定的结合力。以连续Cf/Al复合材料为例，铝液高温下浸渗碳纤维时，在界面上生成Al4C3脆性相。对纤维增强复合材料来说，在不损伤纤维的前提下，较强的界面反应对材料的性能有利塑性加工将对界面的性能产生重要影响。其主要的涂层技术为化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积（PVD）、溶胶-凝胶法、化学镀法、溶液法以及电镀法等。BOCCACCINI等[9]借助离子电泳的方法（Electrophoretic Deposition）在碳纤维上沉积Ni镀层，如图3所示[9]，有利于润湿性和界面粘结强度的显著增强。

4 连续Cf/Al复合材料研究现状及存在问题

制备Cf/Al复合材料时，铝合金基材主要选用Al-Mg-Si系和Al-Cu-Mg系等可热处理强化的合金。最新应用的防锈铝LF6属于镁含量高的Al-Mg合金，可焊性强，经冷变形后可提高其强度，适于制造中载构件。目前国内已具备生产高模量的碳纤维，促进了碳纤维增强铝合金材料（CFALL）的工业化生产。玻璃纤维增强铝合金层压材料（GLALL）也在研制过程中，由于成本较低，具有一定的应用前景。用Cf/Al复合材料制成的导航系统，有效提高了精度。航天天线和卫星抛物面天线骨架，可在较大温度范围内保持其尺寸稳定，使卫星抛物面天线的增益效率提高4倍。

然而，碳纤维表面微裂纹开裂、高强度动载荷下的疲劳断裂以及与金属基体的润湿与界面结合等问题，严重制约了其进一步发展。因此，探索碳纤维表面改性方法，对碳纤维增强金属基体复合材料成型尤为重要。

5 结论与展望

经过40多年的研究摸索，无论是制备方法、性能工艺，还是工程应用，连续Cf/Al复合材料都相当成熟。然而，低成本、大体积替代传统的金属材料，应用的维度和深度远不及期望，需要从材料选择、制造成本和工艺流程简化等方面继续展开探究。

目前，大多数纤维增强金属基复合材料均已被详细报道，然而对高温合金Ni基和航空Ti基研究较少。今后一段时间的研究方向有必要向高性能的金属基转变，同时纤维表面金属化的工艺较为烦琐，一步快捷法的纤维表面官能化是未来的发展趋势。对于金属基复合材料研究及如何经济地开展产业化，距离规模化生产应用尚有差距。同时，探寻新的制备工艺，结合计算机模拟技术，从理论上指导实验。

连续Cf/Al复合材料是金属基复合材料中研究较多、应用较广的复合材料之一，是制造航空航天构件的理想材料。

（1）工艺上，厘清材料的本质属性、使用特性和生命周期可负担能力，材料必须与创新设计同步，与制造系统方法一致。然而，由于系统拉动和资源匮乏，很难超越技术和成本的障碍。涂层方面须继续合适种类的涂层及简洁制备工艺，如应用3D打印技术制备Cf/Al复合材料已成为目前研究热点。绿色发展方面须关注碳纤维的回收再利用问题。

（2）失效评价标准，复合材料的界面问题、制备工艺与性能的不稳定，严重制约其工业化应用。鉴于此，需进一步提高材料的性能，降低制造成本，加快产业化进程，推出评价标准体系。例如，针对纤维的断裂、纤维的滑动和拔出、基体裂纹等复合材料失效表观，重点研究裂纹形核、裂纹扩展、断裂机理和寿命预测，完成复合材料损伤评价体系，为复合材料的实际应用提供参考依据。