铝基复合材料的研究发展现状与发展前景摘要：铝基复合材料具有很高的比强度、比模量和较低的热膨胀系数，兼具结构材料和功能材料的特点。

介绍了铝基复合材料的分类、制造工艺、性能及应用等几个方面，最后对铝基复合材料的研究状况及其发展趋势。

做了简单的介绍。

关键词：铝基复合材料，制造工艺，性能，应用Abstract:Aluminum matrix composite was in capacity of structure materials and function materials for its high specific strength and high specific modulus and low coefficient of thermal expansion.The classification of aluminum matrix composite were introduced and the preparation process、properties and application of aluminum matrix composite was expounded,and then the domestic research status and future development trends of the composite were summed up.Key words:aluminum matrix composites，preparation process，properties，application. 1.发展历史1.1概述复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料通过先进的材料制备技术组合而成的一种多相固体材料。

根据基体材料不同，复合材料包括三类:聚合物基复合材料(PMC)、金属基复合材料(MMC)和陶瓷基复合材料(CMC)[1]。

金属基复合材料在20世纪60年代末才有较快的发展，是复合材料的一个新分支，其以高比强、高比模和耐磨蚀等优异的综合性能，在航空、航天、先进武器系统和汽车等领域有广泛的应用，已成为国内外十分重视发展的先进复合材料。

在金属基复合材料中，铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、可热处理性好、制备工艺灵活、比基体更高的比强度、比模量和低的热膨胀系数，尤其是弥散增强的铝基复合材料，不仅具有各向同性特征，而且具有可加工性和价格低廉的优点，更加引起人们的注意[2]。

铝基复合材料具有很大的应用潜力，并且已有部分铝基复合材料成功地进入了商业化生产阶段。

铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以金属或非金属颗粒、晶须或纤维为增强相的非均质混合物。

按照增强体的不同，铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。

纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高，尺寸稳定性好等一系列优异性能，但价格昂贵，目前主要用于航天领域，作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。

颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件；此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等[3]。

然而不管增强物的类型和形状尺寸如何，大多数铝基复台材料具有以优点：①重量轻、比强度、比刚度高。

②具有高的剪切强度。

③热膨胀系数低，热稳定性高，并有良好的导热性和导电性。

④具有卓越的抗磨耐磨性。

⑤能耐有机液体，如燃料和溶剂的侵蚀。

⑥可用常规工艺和设备进行成型和处理。

1.2分类铝基复合材料主要有主要有三种：长纤维增强铝基复合材料、短纤维增强铝基复合材料、颗粒和晶须增强铝基复合材料。

连续纤维长度可达数百米，性能上有方向性，一般轴向的强度和弹性模量比较高。

这种复合材料性能优异，在航天航空和军事领域的使用上有很大潜力。

但是这种材料的成本较高，限制了其广泛应用[4]。

目前已经研制成功的长纤维增强铝基复合材料有一下五种：硼-铝复合材料、碳（石墨）—铝复合材料、碳化硅-铝复合材料、氧化铝-铝复合材料和不锈钢丝-铝复合材料。

短纤维的长度较小，一般长径比在50～100，多数采用效率高、成本低的喷射法制造。

使用短纤维增强的复合材料无明显的各项异性，成分分布较均匀。

短纤维增强体主要有氧化铝和硅酸铝。

氧化铝短纤维增强的铝基复合材料的室温强度并不比基体铝合金高，但在较高温度范围内的强度保持率明显优于基体铝合金。

短纤维增强表现在复合材料的室温和高温下的弹性模量有较大提高，而线膨胀系数有所降低，耐磨性改善，并有良好的导热性。

颗粒和晶须增强体主要是碳化硅和氧化铝。

颗粒和晶须增强铝基复合材料由于具有优异的性能，生产制造方法简单，其应用规模越来越大。

2.制备工艺金属基复合材料的制备方法也是多种多样的，具体选择时需要考虑以下4点：(1)要使增强体在金属基体中均匀分布；(2)制造过程不造成增强体和金属基体原有性能下降；(3)制造过程中应避免各种不利反应发生；(4)制造方法应适合于批量生产，尽可能直接制成接近最终形状尺寸的零件[5]。

采用不同的增强体制备复合材料时，制备的工艺方法有所不同，下面从增强体的角度介绍各种铝基复合材料的制备方法。

2.1连续纤维增强铝基复合材料为获得无纤维损伤、无空隙、高性能的致密复合材料，必须考虑增强纤维与铝及铝合金间的润湿性好坏和反应性大小、增强纤维的分布状态和高温下的损伤老化程度及界面稳定性等[6]。

纤维增强铝基复合材料的制造方法主要有熔融浸润法、加压铸造法、扩散粘接法和粉末冶金法等，采用固态扩散粘结、液态金属浸渍等特殊工艺，是其生产成本高的主要原因[7]。

用粉末冶金法制备的纤维增强铝基复合材料的性能很低，无有效措施加以提高，现在这种方法主要用于制造颗粒或晶须增强金属基复合材料。

（1）熔融浸润法[8]此法是用液态铝及铝合金浸润纤维束，或将纤维束通过液态铝及铝合金熔池，使每根纤维被熔融金属润湿后除去多余的金属面得到复合丝，再经挤压而制得复合材料。

其缺点是当纤维很容易被浸润时，熔融铝及铝合金可能会对纤维性能造成损伤。

利用增强纤维表面涂层处理技术，可有效地改善纤维与金属间的浸润性和控制界面反应。

目前熔融润润法已用于B/Al、SiC/Al、Al2O3/ (Al-Li)、Al2O3/(Al-Mg)等纤维增强铝基复合材料的制造。

（2）加压铸造法该法是使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔，压力一直施加到凝固结束。

加压铸造法因高压改善了金属熔体的浸润性，所制得复合材料的增强纤维与铝及铝合金间的反应最小，没有孔隙和缩孔等常规铸造缺陷。

铸造压力和增强纤维含量对铝基复合材料的性能有较大影响。

加压铸造法成功地用于制造SiC/Al、Al2O3/Al、Al2O3/(TiAl，Ni3Al，Fe3Al)等铝基复合材料。

（3）扩散粘接法扩散粘接法主要是指铝箔与经表面处理后浸润铝液的纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层，在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘接成型以得到铝基复合材料的制造方法。

此外，扩散粘接法还包括常压烧结法、热压法、高温挤拉法。

目前采用扩散粘接法制造的纤维增强铝基复合材料有C/Al、B/Al、SiC/Al等。

通常，硼纤维增强铝基复合材料采用熔融浸润法和扩散粘结法，碳纤维增强铝基复合材料采用热压扩散粘结法，碳化硅纤维增强铝基复合材料采用熔融浸润法、加压铸造法和热压扩散粘结法，氧化铝纤维增强铝基复合材料采用熔融浸润法。

2.2晶须增强铝基复合材料晶须分布方式是否合乎要求，晶须与基体合金结合好坏是制备合格晶须增强金属基复合材料的关键。

挤压铸造法和粉末冶金法是制造晶须增强铝基复合材料的主要方法。

(1)挤压铸造法挤压铸造法是指金属液体在一定的压力作用下浸渗到增强体预制件孔隙中，并在压力下凝固获得复合材料的方法。

其工艺流程为：预制件制备→放入模具→浇入液态金属→挤压浸渗→复合材料。

[9](2)粉末冶金法预先将短纤维与基体粉末制成浆状并加以混合。

而后经成型干燥热压，制成纤维增强铝基复材料。

粉末冶金法可以制得晶须与基体合金粉任意比例的复合材料；混合体容易均匀，不易出现偏析或偏聚现象；反应温度低，造成的晶须损伤比较小。

2.3颗粒增强铝基复合材料粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法和喷射沉积法是制备颗粒增强铝基复合材料的几种常用方法。

(1)粉末冶金法[10]粉末冶金法是制备高熔点难成型材料的传统工艺。

其工艺过程是将固体增强颗粒和铝基粉末用机械手段均匀混合，经过冷压、除气处理，然后加热到固液两相区进行真空热压制成复合材料锭，再经过挤压、轧制、铸造等加工制成所需的型材和零件。

用PM法制得的产品具有界面反应少，增强相的含量可以根据需要进行调节且增强相分布均匀，性能稳定可进行传统机械加工等优点。

但该方法工艺复杂，成本较高，制品形状和尺寸受到限制，不利于大规模推广应用。

(2)搅拌铸造法[11]搅拌铸造是指将增强陶瓷颗粒加入到高速搅拌的完全或者部分熔化的基体金属熔体中，然后浇注成复合材料的一种工艺。

该工艺及设备要求最为简单，但是在制备过程中难以解决陶瓷颗粒的浸润问题。

搅拌过程中陶瓷颗粒易聚集成团，而且重力的影响使颗粒二相偏析。

此外，还普遍存在界面反应，加之高速机械搅拌时陶瓷颗粒的破碎，以及不可避免混入气体和夹杂物,使制得的复合材料性能不是十分理想。

此外，颗粒的加入量也受到一定限制，粒度也不宜过小，一般大于10Lm。

这些均对制取性能更为优异的材料产生不利影响。

近年来国内外也对搅拌技术和颗粒的加入技术进行了许多研究工作。

Dural 公司的Skibo等人在80年代后期对搅拌铸造工艺作了重大改进，使所制得的复合材料质量和性能有明显提高。

(3)喷射沉积法喷射沉积技术是一种快速凝固技术，最初是Singer开发，由OspreyMetals 公司投入生产应用。

它是在雾化器内将陶瓷颗粒与金属熔体相混合，随后被雾化喷射到水冷基底上形成激冷复合颗粒，然后进行固结制成大块复合材料。

Lavernia等采用VCM制备了颗粒尺寸为1.2μm和2.0μm的SiC/5182A1-Mg 复合材料。

该技术的优点是基体组织属于快速凝固范畴，陶瓷颗粒与金属熔滴接触的时间极短，界面化学反应能有效控制；控制工艺气氛可以最大地减少氧化；适合任何基体/陶瓷体系。

（4）原位合成技术反应自生成法分为固态自生成法和液态自生成法，两者均是在基体中通过反应生成增强相来增强金属基体。

固相反应自生成法是将预期构成增强相的两种组分均匀混合，加热到基体熔点以上温度，当达到反应温度时，两元素发生放热反应，温度迅速升高，在基体溶液中生成弥散颗粒增强物。

液相反应自生成法是在基体熔体中加入能反应生成预期增强颗粒的元素或化合物，在一定温度下发生反生成细小、弥散、稳定的颗粒增强物，形成自生增强铝基复合材料。