先进无机复合材料

金属基复合材料(Metal Matrix Composites,MMC)是以金属为基体,无机非金属的纤维、晶须、颗粒或纳米颗粒等为增强体,经过人工复合而成的新材料。按照基体和增强体的不同,金属基复合材料可以分为许多种。通常根据基体材料不同,金属基复合材料可以分为铝基复合材料、镁基复合材料、钛基复合材料、铜基复合材料、镍基复合材料以及铁基复合材料等。近年来,铝基复合材料无论是在理论研究还是技术应用上均取得了很大突破,已成为发展最快的金属基复合材料,同时也是国内外研究的主流之一。通过合理的组分设计以及优化的复合工艺,金属基复合材料可以发挥金属基体与增强体各自的优势,从而获得金属材料与增强体的优异性能,如更高比强度和比模量、更好的耐热性以及更低的热膨胀系数等。金属基复合材料凭借其优异的综合性能,在众多航天、交通以及电子领域中均发挥了不可替代的重要作用。

金属基复合材料在航空航天、地面运输、热管理以及工业部门等多种行业中的应用正在增加。其中,航空航天和地面运输领域对轻质高强多功能替代材料日益增长的需求,是金属基复合材料市场扩大的主要驱动力之一。从应用领域来看,地面运输终端在价值和数量方面占据了最大的市场份额。从材料方面来看,铝基复合材料由于更好的性能和相对较低的生产成本应用领域最广,市场份额最大。从地区分布来看,北美预计将是金属基复合材料市场规模最大、增长最快的区域。

1.国外进展

1963 年NASA 利用液相浸渗的方法制备出10% 钨丝增强铜复合材料,通常将该成果作为金属基复合材料研究的标志性起点。目前,国外发达国家已经将金属基复合材料成功应用于航空航天、汽车、电子封装以及娱乐产品等市场。国外金属基复合材料领域优势企业包括:美国DWA Aluminum Composites、美国CPS Technologies Corporation、美国Materion Corporation、德国Deutsche Edelstahlwerke、英国GKN 以及比利时Magotteaux 公司等。

2.国内进展

我国金属基复合材料的研究始于20 世纪70 年代末80 年代初。目前,我国在粉末冶金法、搅拌铸造法、真空压力浸渗法、原位生成法等方面,制备工艺日趋成熟,金属基复合材料的研究及应用已走向了快速发展的道路。我国已形成若干金属基复合材料新技术产业链,尤其是在电子封装复合材料领域发展迅速。国内金属基复合材料的公司包括:哈尔滨翔科新材料有限公司、西安法迪复合材料有限公司以及湖南浩威特科技发展有限公司等。此外,金属基复合材料国家重点实验室以其专利为核心, 形成了以铝、钛基复合材料为主的研发和材料供给基地;大型高强高模金属基复合材料、SiC/Al,B4C/Al、金刚石/Al、 碳纳米/Al、TiC+TiB/Ti 等复合材料。


陶瓷基复合材料(CMC)的组成包括四部分,增韧纤维、陶瓷基体、界面以及孔隙。陶瓷材料一般脆性较大,限制他的应用领域和范围,采用连续纤维增韧陶瓷基复合材料是一种行之有效的方法。通过在陶瓷材料中引入纤维材料,制备连续纤维增强陶瓷基复合材料可有效解决脆性问题,大幅度提高强度,同时可提高材料的使用温度。陶瓷基复合材料优点很多,比如低密度(仅为高温合金的1/4-1/3)、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等。陶瓷基复合材料工作温度可达1650℃,在航空航天、国防军工、能源等领域具有广阔的应用。

目前,使用较为广泛的陶瓷基复合材料有碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基(SiC/SiC)复合材料以及碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料两种。而SiC/SiC 复合材料的研究最为广泛,其使用温度可达1450℃以上,高温强度大且重量轻、耐腐蚀,众多优点可改善发动机的性能,因此可用于长寿命航空发动机、核能包壳材料等领域。

1.国外进展

日、美等国在SiC 纤维和SiC/SiC 复合材料的工程产业化方面走在世界前列。国际普遍认为,SiC 陶瓷基复合材料是发动机高温结构材料的技术制高点之一,反映出一个国家先进武器装备的设计与制造能力。为了研究陶瓷基复合材料在航空发动机热端部位的应用,美、日等发达国家先后推出了一系列国家级的研究计划与项目,包括IHPTET 项目、UEET 项目以及AMG 项目等。

碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的应用主要包括发动机燃烧室内衬、燃烧室筒、喷口导流叶片、涡轮叶片和涡轮罩环等部位。以美国为首的发达国家在航空用陶瓷基复合材料领域进行了大量的研究,美国GE 公司、橡树岭国家实验室分别是产业界与科研界的代表。美国GE 公司在二十多年前就开始与NASA 合作开发高速民用运输机用陶瓷基复合材料燃烧室内衬。GE 公司非常重视对航空事业的研发,投入了巨额研发资金,而陶瓷基复合材料正是GE 航空部门最为依赖的技术之一。2017 年3 月,美国莱斯大学与NASA 合作,开发出新型碳化硅纤维,使用此种新型材料制备的陶瓷复合材料可以承受航天应用中的高温、高压等极端恶劣条件。用于高级火箭引擎中的纤维增强复合材料需要承受高达1600℃的高温,目前NASA 正在开发的用于火箭引擎中的陶瓷复合材料使用碳化硅纤维作为增强体,但当此种材料暴露于氧气中时,会变脆或者发生断裂。来自莱斯大学的材料科学家将碳化硅纳米管和纳米线嵌入了NASA 使用的碳化硅纤维表面。纤维暴露的部分是卷曲的,可以像环和钩子一样在纳米尺度上起到魔术贴的作用。研究人员表示,将新型碳化硅纤维植入陶瓷复合材料中,并在火箭喷嘴、或火箭引擎的其它部件中进行测试时,可以增加碳化硅纤维的强度、重量和耐热性。

2.国内进展

国内在SiC/SiC 复合材料研究方面起步相对较晚,在航空领域,近年来国家开展项目支持,包括中航复合材料有限责任公司、西北工业大学、国防科技大学等单位已经具备构件研制和小批量生产能力。中航复合材料有限责任公司经过多年工程化应用研究,突破了多项关键技术。我国在碳化硅陶瓷方面与欧美国家一直存在差距,在核能领域,我国的碳化硅包壳材料的研究尚处在初步阶段。我国在该方面的研究主要以校企合作和企业合作的方式进行。其中国家核电技术公司与华北电力大学研究碳化硅燃料组件的牛风雷教授团队通过校企合作,展开了SiC 包壳材料的研究工作。中核集团与法国阿海珐集团保持着合作关系,由中核集团下属单位核动力院牵头的多家单位协同开展对SiC 复合材料开展研制以及堆内辐照。此外中广核、中国核工业建设集团和中国原子能科学研究院也在关注碳化硅包壳材料的研究。

SiC/SiC 陶瓷基复合材料可重点应用在航空、核能等领域,具体说来包括航空发动机燃烧室、涡轮叶片、喷口导流叶片等热端部位以及核燃料包壳管。虽然我国在近几年加大投入力度,联合多家单位对SiC/SiC 复合材料进行技术研发,但是在构件工程化方面仍然具有一定差距。SiC 纤维是SiC/SiC 复合材料中非常重要的一种材料,国际上已经发展到第三代,日本宇部兴产公司、日本碳公司、美国COI 陶瓷公司都掌握了第三代SiC 纤维的生产技术。我国已经掌握第二代SiC 纤维生产技术,并具有年产10 吨第二代SiC 纤维的能力,目前已有企业拟建设第三代高性能碳化硅纤维生产线,总体而言,我国SiC 纤维与国外巨头企业相比存在一定的差距。

在核能领域,采用SiC/SiC 复合材料作为核燃料棒的包壳材料具有较大的优势,我国核能领域的创新型企业也在密切关注SiC 包壳材料的发展。但是目前我国发展SiC 包壳材料需要解决一些问题,首先需要解决第三代碳化硅纤维的商品化问题;其次,要攻克碳化硅纤维与基体的界面设计与调控的关键技术;最后,要突破SiC/SiC 复合材料与金属的焊接技术。

报告来源:

国家新材料产业发展战略咨询委员会

天津绍闻迪康科技咨询有限公司