纤维增强金属：轻量化设计与构件结构

如同在塑料领域中一样，纤维增强在轻金属材料领域中的应用也越来越有意义。最先得到应用的纤维增强金属材料是硼纤维增强铝、碳纤维增强铝、钢丝增强铝与碳纤维增强镍。开发这些材料的目的是实现在较低的密度下稳定的强度与刚度，特别是在高温条件下（t>500℃）。下面简单介绍一下与这些方面相关的内容：

●硼纤维与碳纤维增强铝复合材料的力学性能远高于时效硬化铝或合金化铝。不过，该复合材料的制造非常困难，因为铝只有在高温下才能完全将纤维渗透；另外，为了防止熔液的不良化学反应，需要特殊的预防措施。如果形成了复合的铝碳化物，材料的强度就会下降。

在试验装置中采用的一种试验生产方法可称之为铝硼带（Al-B-Tape）原浆挤压法（图6-11）。为了生产板材，将多个带材叠在一起，通过焊料电镀或者扩散焊接方法相互连接起来。通过对带的排布可加工出单一方向的或带角度的复合材料，之后可用铣削或电（火花侵）蚀方法加工出成品。

表6-13给出的是通过试样得出的材料力学性能参考值。

表6-13 铝硼复合材料（约120～150€/kg）的特征值，与纤维含量相关

（续）

图6-11 增强硼-铝

a）采用原浆挤压法生产 b）由涂层带组成的结构(www.xing528.com)

●另一种金属复合材料是钢丝铝，它是将马氏体钢丝（d≈150_μm，R_m≥3000MPa）植入AlMgSi中。在钢丝含量为35%的条件下，沿纤维方向测得的平均抗拉强度R_m≈1200MPa。生产这类带材的方法有热压法、原浆挤压法与熔液渗透法。

●与其他已经有了可靠材料值的复合材料相比，铝碳复合材料开发的进展还不大。初步的试验表明，其复合材料强度要低于铝硼复合材料的强度。

●碳纤维增强镍目前还处于研发阶段中。其问题是，在900℃左右镍与碳易发生反应，这样碳纤维会再结晶为石墨絮。迄今为止，在高温强度稳定方面的研究还没有什么突破性的进展。

●镁碳复合材料（碳长纤维增强镁）用于超轻汽车构件（发动机制造、底盘）的研发进展很令人感兴趣。对在实验室里加工的试样测试结果表明，这种材料可在低密度的同时，达到高强度、抗磨损以及膨胀很小的热导率。

同纤维塑料复合材料一样，在不远的将来，金属基复合材料（通常标识为MMC=Metal Matrix Composite）将在轻量化中得到稳定的应用。

[1]后续的项目为ULSAC（Ultra Light Steel Auto Closure，超轻钢轿车覆盖件），即针对车门、发动机室罩与行李箱盖的新概念。

[2]在汽车制造业中，铝材料按照规定用其国际规范码来称呼，如6000合金（AlMgSi）或者7000合金（AlZnMg）。

[3]Thixo-Casting=部分流动状态下加工；Squeeze-Gasting=挤压铸造，在高压下凝固（尽可能形成短纤维=具有高的高温强度的Saffil短纤维）。

[4]PF=苯酚树脂，UP=聚酯树脂，EP=环氧树脂。

[5]一段时间以来，气凝胶技术用于硅酸盐矿物、碳或者塑料，可形成含有大量孔洞的固体材料（ρ≈0.3kg/dm³，E≈1～100MPa），用于特殊领域。