铝基复合材料的研究发展现状与发展前景

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