铝基复合材料的研究进展(或现状)

铝基复合材料的研究进展（或现状）

姓名：苑光昊

摘要：本文介绍了铝基复合材料的设计与制备、性能、应用，重点讲述了国内外的研究现状和发展趋势。

关键词：设计与制备性能应用研究现状及发展

复合材料是应现代科学发展需求而涌现出具有强大生命力的材料，在金属基复合材料中表现尤为明显。金属基复合材料有铝基、镍基、镁基、抬基、铁基复合材料等多种，其中铝基复合材料发展最快而成为主流。本文主要对国内外铝及复合材料的研究现状进行简要评述，主要包括材料的设计与制备、界面、性能、应用等方面。

一、铝基复合材料的设计与制备

1基体材料的选择

铝基复合材料的基体可以是纯铝也可以是铝合金，其中采用铝合金居多。工业上常采用的铝合金基体有Al-Mg、Al-Si、Al-Cu、Al-Li 和Al-Fe等。如希望减轻构件质量并提高刚度，可以采用Al-Li合金做基体【1】；用高温的零部件则采用Al-Fe合金做基体【2】；经过处理后的Al-Cu合金强度高、且有非常好的塑性、韧性和抗蚀性、易焊接、易加工，可考虑作这些要求高的基体【3】。材料的使用要求是选用基体金属材料的首要条件，如要求材料具有良好的耐磨性、耐热性及低的膨胀系数时（活塞材料），选择基体为Al-Si合金；为进一步减轻零部件的重量，可考虑选用Al-Li合金作为基体；为了提高材料的高性能，可选用Al-Fe系合金。

2铝基复合材料增强体选择

针对材料的具体应用，增强体首先具有明显提高金属基体应具备的特殊性能，如作为结构材料时，增强体应具有高强度、高弹性模量、低密度等性能。而作为耐磨材料时，硬度、耐磨性是主要选择依据。由于金属基体有良好的浸润性可保证增强体与基体金属良好复合和均匀分布

B、Al2O3、Si、和C纤维等是最早的纤维材料，该材料的性能优异，但高昂的成本限制了它们的广泛发展及应用。但在航空及军事等方面有研究应用潜力。

根据增强体的形态可将其分为纤维、颗料、晶须三种类型，也有采用金属丝作为铝基复合材料的增强体，但采用极少。

在铝基复合材料研究中，使用最多的增强体是SiC和Al2O3，以TiC、B、石墨等。连续纤维增强的铝基复合材料的研究开展得最早，且材料的性能优异，但成本高，工艺复杂，在工业上难以推广应用。如不考虑成本，可用于军工、航空等领域。碳纤维具有非常高的比强度和比弹性，目前受到研究者的重视。非连续增强金属基复合材料具有制造成本低，可采用常规冶金加工方法制造，材料具有各向异性，二次加工性能好等优点，宜于实现工业化大批量生产，是当前选择的重点，使用最多的增强体是sic和Al2O3，石墨作为固体润滑剂加入以改善材料的摩擦、摩损性能的作用较有效。增强体的形状与尺寸也是影响材料的重要因素。采用颗粒增强体需要注意的一个问题是颗粒团聚问题，颗粒越细，相应材料的力学性能越高，团聚的现象越严重，这会影响其性能。

3铝基复合材料制备方法的选择

目前金属基复合材料的制备方法分为三种：固态法、液态法和自生成法。每一种又包括若干不同的工艺，有的学者将流变铸造、喷雾沉积等新工艺归于两相法。

目前纤维增强铝基复合材料的制备方法主要有扩散连接法、粉末冶金法、融熔侵润法、和气体铸造法等【4】。制备过程要保证纤维的分布均匀、无损伤、与基体结合牢固而无空隙，也要考虑到材料使用时残余应力和热疲劳对材料寿命影响【5】，一般需要对涂层处理以及制成预制件而后压制或浸渗

颗粒增强铝基复合材料的制备相对简单些，可以采用常规冶金方法制备。方法主要有搅拌铸造、粉末冶金、无压浸渗和喷射共沉积等。（1）粉末冶金法的具体工艺是先将金属粉末或预合金粉和增强体均匀混合，制得复合坯材料，经不同的固化技术制成锭块，再通过挤压、锻造等二次加工制成型材。这种制备方法优点：增强材料的加入量易于任意调整，增强体的体积分数与基体成分均可准确控制，所成型的材料或制件其金属基体组织均匀，制件尺寸精度好，易于实现少切削、无切削，且成型制品范围较广。但是，采用此法制备成型的材料或制件，其致密性较差，而且增强材料（主要是纤维和晶须）在形成过程中易受损伤，其性能一般不是太好。（2）渗铸法又称液态浸渗法。它是借助作用于液态金属上的气体压力或离心力等，使液态金属渗入到铸型内具有一定形状和孔隙率的纤维预制体中并凝固成型，从而获得复合材料制件的工艺。渗透法主要特点：工艺简便灵活，不需要大的机械设备，生产成本低，不受生产规模和批量的限制，对连续纤维或非连续纤维增强金属基复合材料的制备均适用。此法主要缺点：产品

性能一般较差，这类方法不适用于纤维体积分数高的复合材料制件的成型，且制件的形状与尺寸范围也受到较大的限制。（3）搅拌铸造法，先将基体金属在炉中熔化，在半固态状态下进行搅拌，并且边搅拌边加入增强材料（短纤维、晶须或粒子等），使增强材料均匀分布于基体金属中，从而制备出复合材料浆料。然后，根据后继成型过程的需要，将基体处于液态或半固态状态的复合材料浆料进行铸造、液态模锻、轧制或挤压成型，从而获得金属基复合材料或制件。搅拌法主要适用于不便于采用渗铸法或液态模锻法制备和成型的粒子型复合材料及其制件的制备与成型。

二、铝基复合材料的性能及应用

1低密度。

铝基复合材料的密度低，相对于其它的基体的复合材料的质量相对较轻。可用于很多对于质量有很大要求的工业与民用上。列如飞机、汽车、航天器等。

2 良好的尺寸稳定性

因为有良好的尺寸稳定性在加工与自造上会减小不必要的误差等。在要求精度较高的工件上可以大量使用，减少因精度不足而产生的误差积累。

3强度、模量与塑性

增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时,降低了塑性。

4耐磨性

高的耐磨性是铝基复合材料(SiC 、Al2O3 增强)的特点之一。由于耐磨性较好也受到了大量的应用。

5疲劳与断裂韧性

铝基复合材料的疲劳强度一般比基体金属高,而断裂韧性却下降。影响铝基复合材料疲劳性能和断裂的主要因素有:增强物与基体的界面结合状态、基体与增强物本身的特性和增强物在基体中的分布等。

6热性能

增强体和基体之间的热膨胀失配在任何复合材料中都难以避免,为了有效降低复合材料的热膨胀系数,使其与半导体材料或陶瓷基片保持热匹配,常选用低膨胀的合金作为基体和采用不同粒径的颗粒

制备高体积分数的复合材料。

因此，在很多方面得到了很大的应用以及发展。同时也在很多方面得到了大量的适用与使用。是铝基复合材料近几年发展迅速的主要