一、背景

    近年來，隨著汽車工業、航空宇航、電子通訊技術的飛速發展，要求作為這些行業基礎的材料除具有高強度、高模量、耐高溫等基礎性能外，還對材料的比重、韌性、耐磨、耐蝕、光電等性能提出了更多種要求。

    對于單一材料來說往往不能很好地滿足諸多性能的要求，就需要把不同性能的材料組合起來，制備成復合材料，使材料間取長補短。復合材料是用經過選擇的、含一定數量比的兩種及兩種以上組分或組元，通過人工復合，組成多相、三維結合且各相之間有明確界面的，具有特殊性能的材料。復合材料的最大優點是材料的性能具有可設計性，材料的設計自由度高，所以發展迅猛。

    金屬基復合材料（Metal Matrix Composites，簡稱MMCs）除了具有高比強度、高比模量和低熱膨脹系數等特點外，還有能耐更高溫度、防燃、橫向強度和剛度高、不吸潮、高導熱與導電率，抗輻射性能好、在使用時不放出氣體等優點，顯示了樹脂基復合材料不可比擬的特點，因此得到了國內外研究者的高度重視，尤其是受到航空航天部門的青睞。

    碳纖維增強金屬基復合材料具有很高的比強度和比模量，是航空航天等對構件質量要求苛刻的高技術領域理想的結構材料。近年來，伴隨著高性能碳纖維的出現，以及因產量擴大而成本降低，對碳纖維增強鋁基復合材料的制備及應用受到廣泛重視。

    二、碳纖維增強鋁基復合材料

    01碳纖維

    碳纖維是一種碳含量超過90%的纖維狀碳材料，碳纖維同時具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數小等一系列優異性能。常用的碳纖維按原絲來源可分為粘膠纖維、PAN基（聚丙烯腈）纖維和瀝青纖維。粘膠纖維的強度低、楊氏模量也低，但是由于成本低，仍然用于某些復合材料的制造。PAN基碳纖維性能較好，但價格較高，主要用于對性能要求極高的航空航天領域。瀝青類碳纖維與PAN基碳纖維相比，具有一定的價格優勢，在汽車、機械電子等領域顯示出較好的應用前景。

    02碳纖維增強鋁基復合材料

    近年來在金屬基復合材料領域，鋁基復合材料的發展尤為迅速。這不僅因為它具有一系列優點，而且因為在世界范圍內有豐富的資源，加之可用常規設備和工藝加工成型和處理，因而制備和生產鋁基復合材料比其他金屬基復合材料更為經濟，易于推廣和應用。

    目前，制備Cf/Al復合材料的基體鋁合金主要選用Al-Mg-Si系和Al-Cu-Mg系等可熱處理強化的合金。最新應用的防銹鋁LF6，系鎂含量高的Al—Mg合金，可焊性、抗蝕性良好，強度中低，冷變形可提高強度，適于制造中載構件，液體容器、管道等零件。

    三、Cf/Al復合材料的制備工藝

    碳纖維增強鋁基復合材料的制造方法主要有：

    01熔融浸潤法

    用液態鋁及鋁合金浸潤纖維束，使每根纖維被熔融金屬潤濕后除去多余的金屬而得到復合絲，再經擠壓而制得復合材料。其缺點是熔融鋁及鋁合金可能會對纖維性能造成損傷。

    02擠壓鑄造法

    使熔融鋁及鋁合金強制壓入內置纖維預制件的固定模腔，壓力一直施加到凝固結束，使金屬液態到凝固均處于高壓下。擠壓鑄造法因高壓改善了金屬熔體的浸潤性，所制得復合材料的增強纖維與鋁及鋁合金間的反應最小，沒有空隙和縮孔等常規鑄造缺陷。

    03擴散粘結法

    鋁箔與經表面處理后浸潤鋁液的碳纖維絲或復合絲或單層板按規定的次序疊層，在真空或惰性氣體條件下經高溫加壓擴散粘結成型以得到鋁基復合材料的制造方法。

    04粉末冶金法

    采用等離子噴濺法在排列好的增強纖維上噴涂金屬鋁粉，或把金屬鋁粉分散在丙烯酸樹脂進行涂敷，制成預制板，將其交替重疊后在真空或氬氣中，在接近鋁熔點溫度下加壓燒結以獲得纖維增強鋁基復合材料。

    05真空壓力浸滲法

    采用真空壓力浸漬法時，先將放入模具內的增強預成型體抽真空，然后施加壓力將熔融的金屬液體壓入模具內復合，冷卻后得到制件。

    該方法雖然存在設備昂貴及工件尺寸有限的缺點，但對小型制件而言，卻有不少可取之處，因為除了有增強體的范圍大、制品質量好的優點外，還可以實現近似無余量成型，特別適合于復雜精密的制件。

    四、真空壓力浸滲的工藝參數

    Cf/Al復合材料的真空壓力浸滲工藝參數主要有以下幾種：

    01浸滲溫度

    浸滲溫度，是真空壓力浸滲工藝中重要的工藝參數。整個制備過程中，對溫度的選擇，決定了材料成型后，纖維的界面反應情況。如果浸滲溫度過高，容易造成纖維與基體的高溫界面反應，生成大量的界面反應物Al4C3脆性相，基體與增強體界面結合過強；浸滲溫度過低，界面反應雖然有所減緩，但是鋁熔液在浸滲過程中會快速冷卻到鋁凝固點以下，導致材料復合失敗。

    02浸滲壓力

    浸滲壓力是真空壓力浸滲工藝中另外一個重要的工藝參數，浸滲壓力決定了金屬浸滲纖維預制塊的過程，并影響最終復合材料的致密度。

    03真空度

    材料制備過程的真空度，決定了最終復合材料中增強體纖維的氧化受損程度，對復合材料的最終性能具有重要意義。

    五、鋁基復合材料國內外發展水平

    01國外鋁基復合材料發展水平

    鋁基復合材料的研究開始于20世紀50年代，近20年來無論從理論上還是技術上都取得了較大進步。各國在研發上都投入了大量的人力物力，它是金屬基復合材料中被研究多的和主要的復合材料。目前開發的鋁基復合材料主要有SiC/Al、B/Al、BC/A1、Al2O3/Al等，其中，B/Al復合材料發展快，目前美國能制造2m以上的各種B/Al型材、管材等，這些材料用于航空器上，可使質量減輕20%。鋁基復合材料已經廣泛用于制造殲滅機、直升機等大飛機的機翼、方向舵、襟翼、機身及蒙皮等部件。美國麥道公司在F-15戰斗機上使用1.8——2.25t纖維增強鋁基復合材料（FRM），使戰斗機質量減輕2%。前蘇聯航空材料研究所把硼纖維增強鋁基復合材料用于安-28、安-72型飛機機體結構上，在提高可靠性的同時，零件質量減輕25%——40%。但長期以來，由于鋁基復合材料還存在著制備工藝復雜，對環境和設備要求嚴格，成本很高等缺點，因此，其應用還不普遍。

    采用粉末冶金生產顆粒增強鋁基復合材料的廠家主要有3大公司：美國的DWA Aluminum Composite、Alyn公司和英國的Aerospace Metal Composites（AMC）公司。這些公司已經具備規模生產能力和豐富的產品規格。DWA鋁基復合材料公司的主要產品為以6092、2009和6063為基體，SiC顆粒為增強體的復合材料。6092/SiC為其早期的產品系列，主要有板材和擠壓型材。

    航空應用實例是20世紀80年代美國洛克希德·馬丁公司將25%SiCP/6061A1復合材料用以制作承放儀器的支架，其比剛度較7075鋁合金高65%。20世紀90年代末，碳化硅顆粒增強鋁基復合材料在大型客機上獲得大量應用。普惠公司從PW4084發動機開始，采用DWA公司生產的擠壓態碳化硅顆粒增強變形鋁合金基復合材料（6092/SIC/17.5p—T6）制作風扇出口導流葉片，用于采用PW4000系列發動機的波音777客機上。

    顆粒增強鋁基復合材料耐沖擊能力比樹脂基復合材料強，抗沖蝕能力是樹脂基復合材料的7倍，且容易發現各種損傷，并使成本下降1/3以上。

    日本豐田公司首次成功地用A12O3/A1復合材料制備發動機的活塞，重量減輕了5%——10%，導熱性提高4倍左右。連桿是汽車發動機中第2個成功地應用金屬基復合材料的零部件。日本Mazda公司制造的Al2O3/A1合金復合材料連桿，比鋼質連桿輕35%，抗拉強度和疲勞強度高，分別為560MPa和392MPa；而且線性膨脹系數小。

    02國內鋁基復合材料技術發展水平

    我國較全面地開展了鋁基復合材料方面的研究工作，包括纖維增強、顆粒增強、層壓復合、噴射沉積和原位生成等方面的研究，取得了進展，正走向實用。在國內，采用壓力鑄造高含量SiCp/A1復合材料制作基座替代W-Cu基座、封裝微波功率器件，有望在封裝領域大量替代W-Cu、Mo-Cu等材料。

    在強化機制與制備加工研究基礎上，鋁基復合材料的研制水平逐漸成熟。舉例來說，我國20世紀90年代以前的鋁基復合材料塑韌性與成型加工一直沒有獲得突破，因此應用受到局限。通過多年研究積累，“十五”期間我國在鋁基復合材料性能與研制能力方面獲得重要突破，盡管落后于國外，但幾種典型鋁基復合材料（如SiC/A1，A12O3/A1）正逐漸獲得航空航天、交通運輸及電子儀表等領域的認可。今后，隨著研究水平穩步提高以及新型復合材料的研發，鋁基復合材料將有望在許多領域得到應用。

    近年來，一種具有高強度、超強耐磨、抗腐蝕性能好，可以廣泛用于航空航天制造和汽車機械業的新型材料——顆粒增強SiCp鋁基復合材料，在中鋁山東分公司研發成功。這種新型鋁基復合材料其密度僅為鋼的1/3，但比強度比純鋁和中碳鋼都高，具有極強的耐磨性，可以在300——350℃的高溫下穩定工作，因而被美國、日本和德國等發達國家廣泛應用于汽車發動機活塞、齒輪箱、飛機起落架、高速列車以及精密儀器的制造等，并形成市場化的生產規模。目前，國際市場價格為3萬美元/t。由于利用該材料生產終端產品的鑄造工藝及其深加工關鍵工藝不成熟，目前國內尚無企業進行規模化生產。該材料的研發成功，不僅填補了我國鋁基復合材料規模化生產的空白，而且有望打破我國長期依賴進口的局面。

    縱觀國內外，對鋁基復合材料的應用研究方面，主要集中在SiC顆粒增強鋁基復合材料，并且取得很大的成就。少數國家（如美國、日本和加拿大等）已進入應用階段，取得了顯著的經濟效益。我國在該領域的研究起步較晚，大多數仍處于實驗室階段，而且研究的深度和廣度也很有限，工業上的研究才剛剛開始。鋁基復合材料以其優良的性能，問世以來在汽車工業、航空航天、電子、軍工和體育等許多領域得到廣泛的應用。制約其發展的關鍵因素（如工藝復雜、成本高）等問題正逐步得到消除，許多國家已建立了工業規模生產鋁基復合材料的工廠，相信在不久的將來，鋁基復合材料的制造工藝會更簡單，成本會更低，使用范圍會更廣。

    03鋁基復合材料應用領域分析

    顆粒增強鋁基復合材料和纖維增強鋁基復合材料已經進入商品化應用階段。

    3.1在交通運輸工具中的應用

    交通運輸工具始終是鋁基復合材料重要的民用領域之一。考慮到成本以及產業化應用等相關因素，連續纖維增強鋁基復合材料以及成本偏高的非連續增強鋁基復合材料就被排除在這一領域之外，廉價的顆粒及短纖維增強鋁基復合材料尚有大規模應用的可能。

    鋁基復合材料在汽車工業的研究起步較早。20世紀80年代，日本豐田公司就已經用硅酸鋁纖維增強鋁基復合材料，成功地制造了汽車發動機活塞抗磨環和汽車連桿等汽車零部件。美國的Duralean公司研制出用SiC顆粒增強鋁基復合材料制造汽車制動盤，使其質量減輕了40%——60%，而且提高了耐磨性能，噪聲明顯減小，摩擦散熱快；同時該公司還用SiC顆粒增強鋁基復合材料制造了汽車發動機活塞和齒輪箱等汽車零部件。這種汽車活塞比鋁合金活塞具有較高的耐磨性、良好的耐高溫性能和抗咬合性能，同時熱膨脹系數更小，導熱性更好。用SiCp/Al復合材料制成的汽車齒輪箱，在強度和耐磨性方面均比鋁合金齒輪箱有明顯的提高。鋁合金復合材料也可以用來制造剎車轉子、剎車活塞、剎車墊板和卡鉗等剎車系統元件，還可用來制造汽車驅動軸和搖臂等汽車零件。上海交通大學及兵器科學研究院等單位，也針對鋁基復合材料在汽車上的應用方面進行了大量的實踐工作。

    3.2在航空航天領域的應用

    鋁基復合材料的發展使得現代航空航天領域制造輕便靈活、性能優良的飛機和衛星等成為可能。Cereast公司采用熔模鑄造工藝研制成20%Vo1+A357SIC復合材料，用該材料代替鈦合金制造直徑達180mm、質量為17.3kg的飛機攝像鏡方向架，使其成本和質量明顯降低，導熱性提高。同時該復合材料還可以用來制造衛星反動輪和方向架的支撐架。美國DWA公司用25%SiCp/6061鋁基復合材料代替7075制造航空結構的導槽、角材，使其密度下降了17%，模量提高了65%。鑄造SiC顆粒增強A356和A357復合材料可以制造飛機液壓管、直升機的起落架和閥體等。

    鋁基復合材料由于自身的一些特殊優點，在航空、航天和軍事部門備受青睞，應用十分廣泛。例如，DWC特種復合材料公司制造的Cr/A 1復合材料應用于NASA公司的衛星導波管上，其導電性好，熱脹系數小，比原來使用的石墨/環氧樹脂導波管要輕30%左右。俄羅斯航空材料研究所將B/Al復合材料用于安-28飛機的機體結構上，零件質量減少25%左右。此外，A1基復合材料還用于制造光學和電子零件，美國亞利桑那大學研制了一種超輕空間望遠鏡，采用SiC/A1復合材料制造行架、支架和副鏡等，使質量大大減輕。美國DWA公司和英國AMC公司將SiC/Al批量用于EC-120和EC-135直升機旋翼系統，大幅提高構件剛度和壽命。這些關鍵結構件的成功應用說明美國和英國對這種材料的應用研究已相當成熟。

    SiC顆粒增強的鋁基復合材料薄板未來將應用于先進戰斗機的蒙皮以及機尾的加強筋，美國航天航空局采用石墨/鋁復合材料作為航天飛機中部長20m的貨艙架。

    3.3在兵器武裝中的應用

    近10年來，纖維價格的降低和擠壓鑄造、真空吸鑄及真空壓滲等復合工藝的出現，使復合材料有可能用于大批量的常規兵器中。纖維增強鋁基復合材料因其良好的綜合性能，在兵器中的應用已越來越廣，各先進國家投入了大量研究工作，試制了發動機中的連桿、活塞、戰術發動機殼體、制導舵板、戰斗部支撐架、軍用作戰橋梁的拉力弦、架橋坦克橋體和長桿式穿甲彈彈托等。美國陸軍早在20世紀70年代末期就對Al2O3/A206復合材料制造履帶板進行了研究，通過采用復合材料制造履帶板可使其質量從鑄鋼的544——680kg下降到272——362kg，減輕近50%。美國海軍地面武器中心把SiC/A1復合材料用于船舶結構體和艙板，還打算將這種材料用于多種水下工程以及魚雷、水雷的外殼。用碳化硅纖維增強鋁合金復合材料制成的跨度為30m的舟橋，質量只有5t，剛度比鋁合金的高30%。隨著價格和技術問題的不斷解決，此類材料在兵器領域中的應用將會更加廣闊。

    3.4在電子和光學儀器中的應用

    鋁基復合材料，特別是SiC增強鋁基復合材料，由于具有熱膨脹系數小、密度低及導熱性能好等優點，適合于制造電子器材的襯裝材料及散熱片等電子器件。SiC顆粒增強鋁基復合材料的熱膨脹系數完全可以與電子器件材料的熱膨脹相匹配，而且導電、導熱性能也非常好。

    在精密儀器和光學儀器的應用研究方面，鋁基復合材料用于制造望遠鏡的支架和副鏡等部件。另外，鋁基復合材料還可以制造慣性導航系統的精密零件、旋轉掃描鏡、紅外觀測鏡、激光鏡、激光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學儀器托架等許多精密儀器和光學儀器。

    在電子封裝領域中應用。自20世紀90年代以來，發達國家的一些公司大力發展用于電子封裝的高含量SiCp/Al復合材料。研制電子器件封裝用高導熱、低熱膨脹金屬基復合材料是新材料的研究發展動態之一。美國已研制成功SiCp/Al、Sip/Al、C/Al等高性能電子封裝用復合材料，成為解決電子器件迅速傳熱和散熱問題的關鍵。研制的電子封裝復合材料是SiCp含量為60%——75%的鋁基復合材料。

    3.5其他應用

    （1）低膨脹鋁基復合材料在星載大功率多工器中的應用。

    （2）在核工業中的應用。B4C具有吸收中子的特性，因此B4C顆粒增強鋁基復合材料在核廢料存貯方面有良好的應用前景。DWA公司采用41%B4Cp/Al復合材料制作核廢料干法存貯桶，已經取得了規模應用。

    （3）復合材料電線。Electri Plast材料有著廣泛的市場前景，在航空航天領域，有望應用于電線電纜和除冰系統。因為該材料的平均質量比銅輕20%，數英里長度的電纜質量可減輕數噸。

    （4）納微米混雜增強鋁基復合材料及其應用。

    該材料可廣泛推廣應用在民用和軍用機動車輛發動機活塞、缸體、缸蓋、搖臂、剎車盤、輪箍、履帶板、輕型裝甲板以及高穩定性光電儀器和精密儀器儀表零部件制造上，也可在船舶、航空和電子器件上應用。目前，運用該材料生產的軍用高功率增壓柴油機活塞已通過了發動機800h臺架試驗和1.0×104km跑車試驗，其綜合性能優于德國馬勒公司產品，完全達到進口活塞的材質要求。

    （5）石墨纖維增強鋁基復合材料在空間遙感器鏡筒結構中的應用。

    20世紀60年代，美國就采用B/Al復合材料管材制造航天飛機軌道器主骨架，較原設計的鋁合金框架減重45%。采用42.2%P100石墨纖維增強6061鋁制成的哈勃太空望遠鏡天線懸架是石墨纖維增強鋁基復合材料在航天器上的典型應用。

    加拿大航天局分別應用碳化硅增強鋁基復合材料和鈹鋁合金制成的超輕激光掃描鏡將用于新一代的空間視覺系統（Space Vision System）。其他多種復合材料在衛星的展開式天線和空間相機的反射鏡上也有所應用。

    北京空間機電研究所曾經采用非連續碳化硅增強鋁基復合材料（SiCp/Al）制造空間相機的鏡盒和鏡身。北京航空材料研究院采用無壓浸滲復合方法制備了用作空間光機結構件的高體份SiC/Al復合材料。另外，多種樹脂基碳纖維復合材料還被用來制造空間相機的遮光罩、鏡筒和底板。

    （6）纖維增強鋁基復合材料在輸電導線中的應用。

    連續氧化鋁纖維增強鋁基復合芯輸電導線以其重量輕、強度大、蠕變小及線膨脹系數小等優點，逐漸被研究人員重視。連續氧化鋁纖維增強鋁基復合材料是首次應用于輸電導線，作為導線的承力部分。

    鋁基復合材料具有的特性使其在民用領域中得到較為廣泛的應用。日本豐田公司1983年首次成功地用Al2O3/Al復合材料制備了發動機活塞，與原來的鑄鐵發動機活塞相比，質量減輕了5%——10%，熱導性提高了4倍。

    鋁基復合材料在制造自行車、醫療器具及運動器械等其他高性能要求的零部件中也得到廣泛應用，如電子封裝復合材料、計算機光盤及汽車剎車盤等，促進這些工業成為新的經濟增長點。其作為功能材料，可望在機械、冶金及建材等工業部門得到更廣泛的應用。

    六、鋁基復合材料應用前景

    碳纖維增強鋁基復合材料具有高強度和高模量，其密度小于鋁合金，模量卻比鋁合金高2~4倍，因此用復合材料制成的構件具有質量輕、剛性好、可用最小的壁厚做成結構穩定的構件，提高設備容量和裝載能力，可用于航天飛機、人造衛星、高性能飛機等方面。以飛機質量為例，飛機機身質量約占起飛質量的50%，燃料占25%，只有25%留作負載。如果將輕量且高強度的Cf/Al復合材料用于飛機的制造，只要使其質量減少10%，那么有效負載就增加20%。作為最經濟高效的飛機結構件減重增效的途徑，Cf/Al復合材料在飛機結構件上的應用正趨擴大。

    用Cf/Al復合材料制成的導航系統和航天天線，可有效地提高其精度；用碳纖維增強鋁基復合材料制成的衛星拋物面天線骨架，熱膨脹系數低、導熱性好，可在較大溫度范圍內保持其尺寸穩定，使衛星拋物面天線的增益效率提高4倍，同時還顯著減輕了結構的質量。

    隨著研究探索的深入，除了率先在宇航、航空和兵器中得到應用，在民用工業中的應用也日漸增多，廣泛地應用于飛機構件、汽車發動機零件、滑動部件、計算機集成電路的封裝材料以及電子設備的基板等方面。

    近年來，碳纖維增強鋁基復合材料的發展特別迅速，因為在世界范圍有豐富的鋁資源和高性能碳纖維的出現及碳纖維成本的降低，所以纖維增強鋁基復合材料的制備和加工比其它金屬基復合材料更為經濟，易于推廣和應用，受到人們的普遍重視。

    Cf/Al復合材料的成本主要來自原材料和制備帶來的成本，在航天飛行器中，所使用的材料每降低一公斤，發射成本就降低1萬美元。因此，只要進一步地降低其研究費用、提高其價格/性能比，高比強的Cf/Al復合材料將具有非常廣闊的前景。