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炭纤维增强金属基复合材料的应用
发布时间: 2021/12/22
         炭纤维增强金属基复合材料的应用
  1、炭纤维增强铝基复合材料
炭纤维增强铝基复合材料是金属基复合材料中研究较多、应用较广的一种复合材料。由于它具有密度小,比强度高、比模量高,导电、导热性好,高温强度及高温下尺寸稳定性好等特点,在许多领域特别是航空航天领域得到广泛应用。
Cf/Al复合材料用作NASA空间望远镜的大型天线支杆,NASA空间望远镜如图4.36所示。当对太阳面与背太阳面的温差达120℃时,能够保证望远镜的安装位置不因温度变化而变化。其弹性模量(E)大于358GPa,热膨胀系数(a)接近于零。
  
  图1 NASA空间望远镜
DWA公司用石墨纤维增强铝基复合材料为NASA和Lockheed公司制造卫星上的波导管。复合材料波导管不仅轴向刚度高、膨胀系数低、导电性能好,而且比原来所用的石墨/环氧一铝层复合制成的波导管还轻30%。
cf/Al复合材料圆筒形舱体构件比壁厚大一倍的镁合金舱体的结构刚度和结构强度高3倍和3.5倍,复合材料纵向弹性模量为230GPa,弯曲强度为1400MPa,耐空间辐照环境特性优异。
  2、炭纤维增强镁基复合材料
镁基复合材料是继铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料,主要特点是密度低、比强度和比刚度高,同时还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的减振性能及良好的尺寸稳定性和铸造性能等;此外,还具有电磁屏蔽和储氢特性等,是一类优秀的结构与功能材料,也是当今高新技术领域中最有希望采用的复合材料之一;在航空航天、军工产品制造、汽车以及电子封装等领域中具有巨大的应用前景。炭纤维/镁复合材料如图2所示。
  
  图2炭纤维/镁复合材料
在美国国防部先进研究项目局以及美国空军资助下,洛克希德一马丁公司和缅因纤维材料公司采用真空辅助铸造的方法成功制备了石墨纤维增强镁基复合材料管材,以期利用连续炭纤维增强镁基复合材料高比强度、高比模量的特点应用在航天飞机桁架结构中。
  美国MMCC公司在美国空军、陆军和NASA等的资助下,大力开发高模量石墨纤维增强镁基复合材料的太空反射镜、遮光罩,以期将炭纤维增强镁基复合材料膨胀系数低、稳定性高的特点应用在EKV(外大气层杀伤拦截器)、LEAP、ABL(导弹防御机载激光器)等国家导弹防御系统中。
  3、炭纤维增强铜基复合材料
炭纤维增强铜基复合材料综合了铜的良好导电、导热性以及炭纤维的高比强度和高比模量、低热膨胀系数及良好的润滑性,使其呈现出良好的传导性、减摩耐磨性、耐高温性、耐电弧烧蚀性、抗熔焊性和抗老化等一系列优点,现作为一种功能材料已被广泛用作电子元件材料、滑动材料、触头材料、热交换材料和引线框架材料等,用于制造电刷、轴瓦、滑块、触点、集成电路散热板、轨道交通受电弓滑板及火箭发动机零件等机电零部件。用炭纤维增强铜基复合材料制成的惯性电机电刷工作电流密度可高达500A/cm2,实现了耐磨性和导电性的最佳配合。炭纤维/铜电刷如图4.38所示。炭/铜复合材料热膨胀系数为6×106K~热导率为220W/(m·K),高于任何低热膨胀系数材料。在高集成度的电子器件中有很好的应用前景。
  
  图3炭纤维/铜电刷
  炭纤维增强铜合金可用于滑动轴承和其他滑动材料,具有良好的减摩耐磨性能和较高的力学性能,是含有石墨、二硫化钼等固体润滑剂的轴承材料所无法企及的;炭纤维增强铜基复合材料制成的惯性轨道交通用受电弓滑板力学性能高,不易发生滑板折断事故,能够较好地抵御滑板与铜导线的冲击,并能改善其对铜导线的磨损;同时炭纤维增强铜基复合材料可代替W、Mo等资源有限、价格昂贵且难加工的金属制作半导体的支撑电极,因而在高集成度的电子器件中得到了很好的应用D53J。
  4、其他炭纤维增强金属基复合材料
镍基复合材料被广泛应用于飞行器、船舶和其他工业,具有非常好的高温强度、抗氧化性能、抗热疲劳、抗热侵蚀等性能,它可以代替镍基超耐热不锈钢使涡轮发动机的各组成部分在高温下工作。
炭纤维的强度是纯铅的100倍,而密度只有铅的1/7,采用炭纤维增强纯铅可充分发挥炭纤维的强化作用。采用炭纤维增强铅基复合材料制造蓄电池的板栅,其抗拉强度比普通板栅提高15倍,重量减轻35%以上,容量增加15%,提高了蓄电池的性能。
 
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