碳化硅颗粒增强铝基复合材料的航空航天应用
崔 岩
材料工程
摘要:综合评述了近年来碳化硅颗粒增强铝基复合材料在航空航天领域所获得的一系列成功应用,并较为详尽地介绍了它们的具体应用情况以及对相关产品与装备所产生的积极作用。此外,还例举、分析和展望了该种复合材料在我国航空航天飞行器惯导系统、光机结构及电子元器件中的几个颇具前景的应用方向。
关键词:碳化硅颗粒;铝基复合材料;航空航天应用
碳化硅颗粒增强铝基复合材料,是目前普遍公认的最有竞争力的金属基复合材料品种之一。尽管其力学性能尤其是强度难与连续纤维复合材料相匹敌,但它却有着极为显著的低成本优势,而且相比之下制备难度小、制备方法也最为灵活多样,并可以采用传统的冶金工艺设备进行二次加工,因此易于实现批量生产。冷战结束后的20世纪90年代,由于各国对国防工业投资力度的减小,即使是航空航天等高技术领域,也越来越难以接受成本居高不下的纤维增强铝基复合材料。于是,颗粒增强铝基复合材料又重新得到普遍关注。特别是最近几年来,它作为关键性承载构件终于在先进飞机上找到了出路,且应用前景日趋看好,进而使得其研究开发工作也再度升温[1-4]。
近十年来,国内外公开发表的关于颗粒增强铝基复合材料的综述性文章并不鲜见,其中也大多提及应用状况[5-10]。然而,这些文章中有关应用的评述一方面缺乏最近五年的新进展、新成果,另外在内容上或者仅是应用前景介绍,或只是大体指出应用装备和系统的类别,或仅是处于样型研制、验证阶段的工作,而对具体详实的工程应用实例却少有报道。而设计使用部门恰恰最希望对该材料的工程应用状况有深入地了解,因为只有这样才能降低碳化硅颗粒增强铝基复合材料在我国航空航天工程中应用的技术风险,使我们少走弯路,并且由此还能够确定应优先采用该种材料的工程目标。
本文将在综合评述碳化硅颗粒增强铝基复合材料航空航天工程应用最新实例的基础上,结合国情提出了该种材料在我国航空航天飞行器惯导系统、光机结构及电子元器件中的几个颇具前景的应用方向。
1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的航空航天工程应用
1.1 作为主承载构件在航空航天器上应用的典型实例[11-15]
早在20世纪80年代,低体分(15%～20%)的结构级碳化硅颗粒增强铝基复合材料就作为非主承载结构件成功地应用于飞机,典型实例为洛克希德·马丁公司生产的机载电子设备支架。然而,直到最近几年,该种复合材料才作为主承载结构件在先进飞机上获得正式应用。下面将对几个最有代表性的、甚至可以说是标志性的工程应用及其所产生的效果加以详尽介绍。
在美国国防部“TitleⅢ”项目支持下, DWA复合材料公司与洛克希德·马丁公司及空军合作,将粉末冶金法制备的碳化硅颗粒增强铝基(6092Al)复合材料用于F-16战斗机的腹鳍,代替了原有的2214铝合金蒙皮,刚度提高50%,使寿命由原来的数百小时提高到设计的全寿命～8000h,寿命提高幅度达17倍。目前美国空军已将这种铝基复合材料腹鳍作为现役F-16战斗机的备用件,正在逐步更换。Ogden空军后勤中心评估结果表明:这种铝基复合材料腹鳍的采用,可以大幅度降低检修次数,全寿命节约检修费用达2600万美元,并使飞机的机动性得到提高。此外,F-16上部机身有26个可活动的燃油检查口盖,其寿命只有2000h,并且每年都要检查2～3次。采用了碳化硅颗粒增强铝基复合材料后,刚度提高40%,承载能力提高28%,预计平均翻修寿命可高于8000h,裂纹检查期延长为2～3年。
F-18“大黄蜂”战斗机上采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为液压致动器缸体,与替代材料铝青铜相比,不仅重量减轻、热膨胀系数降低,而且疲劳极限还提高一倍以上。在直升机上的应用方面,欧盟率先取得突破性进展,英国航天金属基复合材料公司(AMC)采用高能球磨粉末冶金法研制出了高刚度、耐疲劳的碳化硅颗粒增强铝基(2009 Al)复合材料,用该种材料制造的直升机旋翼系统连接用模锻件(浆毂夹板及袖套),已成功地用于Eurocopter公司生产的N4及EC-120新型直升机。其应用效果为:与铝合金相比,构件的刚度提高约30%,寿命提高约5%;与钛合金相比,构件重量下降约25%。
更为引人注目的是,在20世纪90年代末,碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得正式应用。普惠公司从PW4084发动机开始,将以DWA公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变形铝合金基复合材料(6092/SiC/17.5p-T6),作为风扇出口导流叶片,用于所有采用PW4000系发动机的波音777上。普惠公司的研发工作表明:作为风扇出口导流叶片或压气机静子叶片,铝基复合材料耐冲击(冰雹、鸟撞等外物打伤)能力比树脂基(石墨纤维/环氧)复合材料好,且任何损伤易于发现。此外,还具有七倍于树脂基复合材料的抗冲蚀(沙子、雨水等)能力,并使成本下降三分之一以上。
1.2 作为光学及精密仪器构件在航空航天器上应用的典型实例[16-25]
与低体分的结构级碳化硅颗粒增强铝基复合材料相比,光学/仪表级的中等体分(35%～45%)碳化硅颗粒增强铝基复合材料的功能化特性比较突出,即不仅具有比铝合金和钛合金高出一倍的比刚度,还有着与铍材及钢材接近的低热胀系数和优于铍材的尺寸稳定性。因此,该种复合材料可替代铍材用作惯性器件,并被誉为“第三代航空航天惯性器件材料”。它已被正式用于美国某型号惯性环形激光陀螺制导系统,并已形成美国的国军标(MIL-M-46196)。此外,还替代铍材被成功地用于三叉戟导弹的惯性导向球及其惯性测量单元(IMU)的检查口盖,并取得比铍材的成本低三分之二的效果。微屈服度(MYS)是表征材料尺寸稳定性的主要指标,而该种复合材料的微屈服度为118MPa,该值已显著超过美国布拉什公司研制的高尺寸稳定性新型光学仪表级高强I-250铍材。
除用作惯性器件外,光学/仪表级碳化硅颗粒增强铝基复合材料还可替代铍、微晶玻璃、石英玻璃等用作反射镜镜坯。例如,美国ACMC公司制造的光学级碳化硅颗粒增强铝基复合材料,已在卫星太阳能反射镜、空间遥感器高速扫描摆镜、空间激光反射镜及空间望远镜上投入使用。本文仅对超轻空间望远镜这一典型实例作详尽介绍。ACMC公司与亚利桑那大学光学研究中心合作,采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料制成了超轻空间望远镜的主反射镜和次反射镜,主镜直径为0.3m。铝基复合材料主镜和次镜的反射面带有经抛光的化学镀镍层,镍反射层与铝基复合材料基材结合良好、膨胀也十分匹配。在230～340K之间进行320次热循环后,镍反射层仍能保持1/10可见光波长的平面度。由于结构的改进,铝基复合材料反射镜比传统玻璃类反射镜轻50%以上。由于多处采用了新材料,使得整个空间望远镜的重量仅为4.54kg。
1.3 作为电子封装及热控元件在航空航天器上应用的典型实例[26-31]
20世纪90年代末,电子级高体分(60%～70%)碳化硅颗粒/铝基复合材料,作为新型轻质电子封装及热控元件在一系列为世人所瞩目的先进航空航天器上获得了正式应用。其中,采用无压浸渗法制备的碳化硅颗粒/铝电子封装复合材料工程应用的实例最多、影响也最大。例如,在F-22“猛禽”战斗机的遥控自动驾驶仪、发电单元、飞行员头部上方显示器、电子计数测量阵列等关键电子系统上,替代包铜的钼及包铜的殷钢作为印刷电路板板芯,取得了减重70%的显著效果。由于此种材料的导热率可高达180 W/ (m·K),从而降低了电子模块的工作温度,减少了冷却的需要。除印刷电路板板芯外,这种材料被用于F-22战斗机的电子元器件基座及外壳等热控结构。另外,已正式采用无压浸渗法制备的碳化硅颗粒/铝电子封装复合材料的航空航天工程还包括:F-18“大黄蜂”战斗机、欧洲“台风”战斗机、EA-6B“徘徊者”预警机、ALE-50型诱饵吊舱等航空器,以及摩托罗拉铱星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探测器等著名的航天器。
2 碳化硅颗粒增强铝基复合材料在我国航空航天器上的应用前景
2.1 在惯导系统中的潜在应用
在我国自行研制的诸多型号机载、弹载惯性导航系统中,不同程度地存在着现用的铸造铝合金结构件比刚度不足、热膨胀系数与轴承材料严重不匹配以及固有频率偏高、阻尼性能不理想等问题。这些对系统的精度及可靠性都将产生较大的负面影响。若改用低体分(～20%)的碳化硅颗粒增强铸造铝基复合材料,材料的刚度将提高40%～50%,由固有频率与材料比刚度平方根之间的正比关系可计算出固有频率将提高～20%,而且与轴承材料的热膨胀匹配性也将得到显著改善。另外,据文献报道,与铝合金相比,复合材料疲劳极限将提高～70%[32]。
除替代铝合金构件外,国产仪表级中等体分(～40%)碳化硅颗粒增强铝基复合材料还可替代铍材来制作惯性器件。该材料用于表征尺寸稳定性的性能指标——微屈服度达到110～120MPa的水平[33],该值是国产真空热压铍材的5倍,材料与制造成本都远低于铍材,而且不存在加工毒性问题[34]。
2.2 在光机结构中的潜在应用
光学级的中等体分(40%～50%)碳化硅颗粒增强铝基复合材料,可作为结构件或是结构-功能一体化构件,用于我国高分辨率遥感卫星的光机结构[35]。例如,在高分辨率遥感卫星的详查相机上,若采用这种高刚度、低膨胀的复合材料制作其空间光学反射镜镜坯,不仅可近无余量地获得整体性(无需连接)的复杂轻量化结构[36],而且由于刚度高、韧性好、可直接加工和装配故而可省去现用微晶玻璃反射镜所必需的沉重的镜框[37],从而简化结构,减轻重量,并显著降低光机结构的研制周期、难度和成本。同时,由于铝基复合材料的热扩散系数远高于微晶玻璃[2],因此可大幅度减小光机结构的时间常数和热惯性,使结构容易达到热平衡,进而易于保持光学型面。另外,由于采用该复合材料的光机系统在大范围高低温交变下产生的热光学误差较小,这将可以简化甚至可能取消通常必须采用的复杂的主动温控系统,从而实现降低遥感器分系统甚至整星系统的功耗、提高系统可靠性和寿命的目的。
2.3 在电子元器件中的潜在应用
高体分(60%～70%)碳化硅颗粒/铝基电子封装复合材料与技术一旦在我国相关航空航天电子元器件上获得应用,其效果将是非常显著的。首先以替代目前还在大量使用的Kovar封装合金为例,不仅可显著减重(～65%),由于导热率提高了8～9倍之多,还将使器件热耗散能力显著增强、芯片结温大幅度下降,从而使电子器件的寿命和可靠性大为提高。再以替代W/Cu合金用作雷达微波功率管封装底座为例,由于高达82%的减重效率,以及微波功率管在相控阵雷达上的大量采用,这将使整部雷达产生惊人的减重效果,同时成本亦能有所降低,可靠性也有提高。若作为功率放大模块底座,可望使卫星的有效载荷或导弹弹头的控制部分减重达kg级,甚至超过10kg,这对小卫星、微卫星工程及远程战略导弹等意义极为重大。以美国的DSCS-Ⅲ型军用通讯卫星为例,这颗卫星采用了23kg的Kovar合金作为微波封装件,若将Kovar全部替换为铝基电子封装复合材料,这颗卫星的重量将可减轻近15kg[38]。因此,将轻质、高效能、低成本的碳化硅颗粒/铝基电子封装复合材料用于航空航天微波等电子器件及模块的封装壳体或底座,不仅会产生显著的军事效益,还将带来可观的经济效益和社会效益。
3 结束语
(1)最近几年,在国外(主要是美国),碳化硅颗粒增强铝基复合材料的工程应用特别是航空航天应用取得了一系列重大进展,部分品种尤其是铝基电子封装复合材料已开始步入商业化阶段。而在工程化方面,我国明显落后,应迎头赶上。
(2)随着碳化硅颗粒体分的不断增加,铝基复合材料的功能特性愈发显著,并由此导致其替代目标应用领域及产品的竞争力随之而发生改变:对于低体分的典型结构级复合材料,它将替代的主要是成熟、廉价的铝合金等传统金属结构材料,因此在性能/价格比上这种复合材料目前还不具有绝对优势,进一步降低其成本势在必行;对于已显露出功能特性的中等体分光学/仪表级复合材料,它的主要替代目标是成本颇高、难加工和装配的铍材、微晶玻璃等,因此在竞争中该复合材料的优势要显著得多;而对于功能潜力得到了充分发挥的高体分电子级复合材料,它的主要替代目标则是成本高并且性能已经无法全面满足电子封装技术发展要求的W/Cu,Kovar等封装合金,因此与替代材料相比该种复合材料具有显著的低成本和高效能的双重优势,所以最具竞争力、需求也最为迫切,也最有希望在铝基复合材料的诸多品种中率先实现大规模商业化。
(3)国外碳化硅颗粒增强铝基复合材料工程应用的成功模式主要为:以专业公司为主体,通过纵向联合实现产品设计-材料研制-产品制造-验证应用一条龙。而在国内这些环节往往是分割开来的,缺乏跨行业的密切协作,尤其是缺乏材料研制部门与设计使用部门的沟通。
参考文献略
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