曹运红

   
　 摘　要　简单介绍了金属预浸料的性能, 并详细描述了加工技术, 包括金属预浸料加工, 金属预浸料铺层和固化, 手工铺层和热压。最后指出金属预浸料可用于增强结构并降低成本。
　关键词　材料技术　　金属基复合材料　　金属预浸料
前　言
  金属基复合材料(MMC)包括金属基体和纤维、晶须、颗粒、长丝等增强物。金属基复合材料与纯金属相比具有较高的比强度和比刚度, 与聚合物基复合材料( PMC)相比具有较高的高温性能, 较大的横向模量和强度, 不吸湿或放气, 较高的导电性和导热性及较高的抗辐射强度。因此, Touchstone研究实验室对连续纤维金属基复合材料产生了兴趣,其设想是利用PMC制造工艺和现有的聚合物基复合材料制造经验及装置制造纤维增强金属基复合材料。这种方法将使成本降低。
  本文研究了铝基中含连续增强纤维生产金属预浸带的制造工艺。这种预浸带通常含50% (体积)纤维, 但已证实纤维体积含量达60%。用厚度为0.15mm～0.5mm的带生产10mm～40mm厚的层压
带。厚度为10mm～40mm以外的带作增强物也是可能的。对聚合物基复合材料而言, 300m长的预
浸带, 在普通的自动铺放机中允许使用金属预浸料。本文集中介绍金属预浸料(Metp reg)及其应用。
1. 材料研究
  表1示出了聚合物和金属预浸料的性能比较。金属预浸料和聚合物之间有基本的差别, 因此,
PMC和MMC预浸料及合成的复合材料也有显著的差别。聚合物预浸料比金属预浸料对环境条件敏
感。如湿度和温度。热循环产生的膨胀和收缩在聚合物基体中比金属基体中产生多得多的裂纹。同样, 气体通过树脂基体的渗透性是有些复合材料加压的气体贮存容器设计限制的原因。相反, 铝对大多数气体是不可渗透的, 因此, 铝基预浸料的复合材料可以用作贮存容器的结构材料。MMC与PMC或未增强的铝相比具有耐很高温度的特性。一些高强度碳纤维的抗拉强度超过预浸渍氧化铝连续纤维的抗拉强度, 然而, 在剪切应力下, MMC明显优于PMC。使用高刚性纤维, 如氧化铝纤维可以使合金的抗压强度提高, 如6061铝合金的纵向抗压强度为4.5GPa, 是上述PMC材料的3倍。
     
1.1　金属预浸料用的基体合金
   除纯铝外,各种铝合金常用作MMC基体,诸如2000, 6000, 7000系列可热处理的铝合金可以置于金属预浸料中。通常使用可热处理的合金增强基体, 基本上提高了剪切强度, 但使抗拉强度降低。提高基体的剪切性能也使抗压强度提高。预浸带的重要设计变量考虑到满足各种应用的力学性能的要求。
1.2　金属预浸料用的纤维
   像高强度高模量增强物一样, 在铝基预浸料中可有效地使用氧化铝(α2Al2O3 ) 。业已验证, 在铝基体预浸料中, 可以使用廉价的其它类型纤维作增强物, 包括( E2, S2和R)玻璃纤维和碳纤维。碳纤维在较低密度的预浸料中, 可使比强度和比刚度提高。
1.3　氧化铝纤维增强铝预浸料的性能
   表2示出了具有纯铝基体的Nextel 610纤维预浸料的性能。
      
2.加工技术
2.1　金属预浸料加工
   在多用途MMC连续渗透机上制造金属预浸料单向预浸带, 图1示出金属预浸料浸渍纤维工艺过
程。将纤维放入铝熔融槽, 在槽中完成纤维束的浸润/渗透, 渗透的纤维束穿过成型模具, 然后冷却,可以使所需要的纤维预浸渍。
   
  该工艺非常类似于生产聚合物复合材料零部件横截面的连续拉挤工艺。该装置能生产许多标准无缝拉挤构形, 例如, 矩形管、管道、弯管和圆形管。然后, 把平的预浸渍带缠绕在加工零件用的贮存缠绕筒上, 按长度切成其它形状, 并折叠起来。
  带制作后, 把各种铜焊和锡焊涂料涂覆在金属预浸表面上。在随后的连续操作中, 将使用铜焊或锡焊涂料。图2示出涂覆预浸料零件的侧示图。
    
2.2　金属预浸料铺层和固化
   用手工或自动铺层机铺设预浸料带, 在这两种情况下, 通过焊接、铜焊、锡焊, 或使用类似于复合材料中确定的工艺技术, 粘接用的粘结剂, 固化。这些工艺包括装袋、单轴向热压、热等静压(H IPing) 、纤维缠绕/纤维铺设。具体生产金属预浸带零部件的工艺过程为:
1) 零件制造
·手工铺层;
·带和纤维自动铺设。
2) 零件固化
·真空装袋;
·热压;
·热等静压;
·粘结剂粘接, 铜焊, 锡焊和焊接。
2.3　手工铺设
   在要求的方向, 用手工把带铺设在模具内, 如图3所示, 可以把金属预浸料带制成各向多层零件。把填料和金属板一层一层铺放在模具内或可以使用锡焊用的涂覆带。然后在真空炉内或金属容器内(例如焊接钢袋)使袋抽空并在空气加热炉内加热,或在热等静压下,使层压制品固化。