曹運紅

   
　 摘　要　簡單介紹了金屬預浸料的性能, 并詳細描述了加工技術(shù), 包括金屬預浸料加工, 金屬預浸料鋪層和固化, 手工鋪層和熱壓。最后指出金屬預浸料可用于增強結(jié)構(gòu)并降低成本。
　關(guān)鍵詞　材料技術(shù)　　金屬基復合材料　　金屬預浸料
前　言
  金屬基復合材料(MMC)包括金屬基體和纖維、晶須、顆粒、長絲等增強物。金屬基復合材料與純金屬相比具有較高的比強度和比剛度, 與聚合物基復合材料( PMC)相比具有較高的高溫性能, 較大的橫向模量和強度, 不吸濕或放氣, 較高的導電性和導熱性及較高的抗輻射強度。因此, Touchstone研究實驗室對連續(xù)纖維金屬基復合材料產(chǎn)生了興趣,其設(shè)想是利用PMC制造工藝和現(xiàn)有的聚合物基復合材料制造經(jīng)驗及裝置制造纖維增強金屬基復合材料。這種方法將使成本降低。
  本文研究了鋁基中含連續(xù)增強纖維生產(chǎn)金屬預浸帶的制造工藝。這種預浸帶通常含50% (體積)纖維, 但已證實纖維體積含量達60%。用厚度為0.15mm～0.5mm的帶生產(chǎn)10mm～40mm厚的層壓
帶。厚度為10mm～40mm以外的帶作增強物也是可能的。對聚合物基復合材料而言, 300m長的預
浸帶, 在普通的自動鋪放機中允許使用金屬預浸料。本文集中介紹金屬預浸料(Metp reg)及其應(yīng)用。
1. 材料研究
  表1示出了聚合物和金屬預浸料的性能比較。金屬預浸料和聚合物之間有基本的差別, 因此,
PMC和MMC預浸料及合成的復合材料也有顯著的差別。聚合物預浸料比金屬預浸料對環(huán)境條件敏
感。如濕度和溫度。熱循環(huán)產(chǎn)生的膨脹和收縮在聚合物基體中比金屬基體中產(chǎn)生多得多的裂紋。同樣, 氣體通過樹脂基體的滲透性是有些復合材料加壓的氣體貯存容器設(shè)計限制的原因。相反, 鋁對大多數(shù)氣體是不可滲透的, 因此, 鋁基預浸料的復合材料可以用作貯存容器的結(jié)構(gòu)材料。MMC與PMC或未增強的鋁相比具有耐很高溫度的特性。一些高強度碳纖維的抗拉強度超過預浸漬氧化鋁連續(xù)纖維的抗拉強度, 然而, 在剪切應(yīng)力下, MMC明顯優(yōu)于PMC。使用高剛性纖維, 如氧化鋁纖維可以使合金的抗壓強度提高, 如6061鋁合金的縱向抗壓強度為4.5GPa, 是上述PMC材料的3倍。
     
1.1　金屬預浸料用的基體合金
   除純鋁外,各種鋁合金常用作MMC基體,諸如2000, 6000, 7000系列可熱處理的鋁合金可以置于金屬預浸料中。通常使用可熱處理的合金增強基體, 基本上提高了剪切強度, 但使抗拉強度降低。提高基體的剪切性能也使抗壓強度提高。預浸帶的重要設(shè)計變量考慮到滿足各種應(yīng)用的力學性能的要求。
1.2　金屬預浸料用的纖維
   像高強度高模量增強物一樣, 在鋁基預浸料中可有效地使用氧化鋁(α2Al2O3 ) 。業(yè)已驗證, 在鋁基體預浸料中, 可以使用廉價的其它類型纖維作增強物, 包括( E2, S2和R)玻璃纖維和碳纖維。碳纖維在較低密度的預浸料中, 可使比強度和比剛度提高。
1.3　氧化鋁纖維增強鋁預浸料的性能
   表2示出了具有純鋁基體的Nextel 610纖維預浸料的性能。
      
2.加工技術(shù)
2.1　金屬預浸料加工
   在多用途MMC連續(xù)滲透機上制造金屬預浸料單向預浸帶, 圖1示出金屬預浸料浸漬纖維工藝過
程。將纖維放入鋁熔融槽, 在槽中完成纖維束的浸潤/滲透, 滲透的纖維束穿過成型模具, 然后冷卻,可以使所需要的纖維預浸漬。
   
  該工藝非常類似于生產(chǎn)聚合物復合材料零部件橫截面的連續(xù)拉擠工藝。該裝置能生產(chǎn)許多標準無縫拉擠構(gòu)形, 例如, 矩形管、管道、彎管和圓形管。然后, 把平的預浸漬帶纏繞在加工零件用的貯存纏繞筒上, 按長度切成其它形狀, 并折疊起來。
  帶制作后, 把各種銅焊和錫焊涂料涂覆在金屬預浸表面上。在隨后的連續(xù)操作中, 將使用銅焊或錫焊涂料。圖2示出涂覆預浸料零件的側(cè)示圖。
    
2.2　金屬預浸料鋪層和固化
   用手工或自動鋪層機鋪設(shè)預浸料帶, 在這兩種情況下, 通過焊接、銅焊、錫焊, 或使用類似于復合材料中確定的工藝技術(shù), 粘接用的粘結(jié)劑, 固化。這些工藝包括裝袋、單軸向熱壓、熱等靜壓(H IPing) 、纖維纏繞/纖維鋪設(shè)。具體生產(chǎn)金屬預浸帶零部件的工藝過程為:
1) 零件制造
·手工鋪層;
·帶和纖維自動鋪設(shè)。
2) 零件固化
·真空裝袋;
·熱壓;
·熱等靜壓;
·粘結(jié)劑粘接, 銅焊, 錫焊和焊接。
2.3　手工鋪設(shè)
   在要求的方向, 用手工把帶鋪設(shè)在模具內(nèi), 如圖3所示, 可以把金屬預浸料帶制成各向多層零件。把填料和金屬板一層一層鋪放在模具內(nèi)或可以使用錫焊用的涂覆帶。然后在真空爐內(nèi)或金屬容器內(nèi)(例如焊接鋼袋)使袋抽空并在空氣加熱爐內(nèi)加熱,或在熱等靜壓下,使層壓制品固化。