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因素也是重要的原因。

铝基复合材料在汽车工业的应用研究起步最早。

上个世纪年代,日本丰田公司成功地用复合材料制备了发动机活塞。

美国的研制出用颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,使其重量减轻了,而且提高了耐磨性能,噪音明显减小,摩擦散热快;同时该公司还用颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件。

用复合材料制成的汽车齿轮箱在强度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的提高。

铝合金复合材料也可以用来制造刹车转子、刹车活塞、刹车垫板、卡钳等刹车系统元件。

铝基复合材料还可用来制造汽车驱动轴、摇臂等汽车零件。

现代科学技术的发展,对材料性能提出了越来越高的要求,特别是航空航天领域要制造轻便灵活、性能优良的飞机、卫星等，铝基复合材料恰能满足这方面的要求。

公司采用熔模铸造工艺研制成复合材料,用该材料代替钛合金制造直径达、重的飞机摄相镜方向架,使其成本和重量明显降低,导热性提高。

同时该复合材料还可用来制造卫星反动轮和方向架的支撑架。

铝基复合材料可以代替木材及金属材料来制作网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪板等。

用颗粒增强铝基复合材料制作的自行车链齿轮重量轻、刚度高、不易挠曲变形,性能优于铝合金链齿轮。

三、铝基复合材料的研究现状1铝基复合材料研究的主要成果原位生成颗粒增强铝基复合材料具有强化相多、设计性广、晶粒细小、综合性能好、增强体与基体界面结合牢固且结合强度高、成本相对较低且能进行近终型铸造等优势，这赢得了许多研究者、科研机构和企业的高度重视,并已开发出一部分可以应用于高精尖端领域的材料和新工艺。

例如复合材料有TiB2和Al2O3颗粒增强铝基复合材料【6】采用95wt%Al和5wt%CuO粉末原位生成了γ-氧化铝增强Al-Cu 合金【7】，复合材料的尺寸为5~10μm。

研究结果表明，其维氏硬度最高可达114VHN，最终的强度可以达到330~425MPa，弯曲强度可达425MPa，韧性可达14.9J/cm2。

2铝基复合材料研究的热点问题纳米相增强铝基复合材料纳米材料的尺寸非常细小(1～100nm)，形状多为规则的近球状，因此，在铝基复合材料的制备中若能以纳米级颗粒作为增强相，应该能改善增强相与基体的结合界面，提高结合强度,进而提高铝基复合材料的力学性能和理化性能等贺春林等人【8】用粉末冶金法制备了纳米SiC(平均尺寸25nm)颗粒增强纯Al基复合材料(Al-MMC),结果如下：SiC体积分数为1%、3%和5%的纳米SiC/Al-MMC的屈服强度和最大拉伸强度较基体纯Al分别提高了6.9%、1l.8%、26.8%和7.2%、21.2%、30.4%体积分数为1%和3%的纳米MMC的拉伸性能分别好于5%和10%的微米颗粒增强Al-MMC，而5%的纳米MMC的屈服强度和最大拉伸强度较5%和10%的微米颗粒增强Al-MMC分别增加29.2%、16.1%和28.0%、9.9%。

因此可知纳米材料对铝基复合材料的影响是非常大的，同时颗粒的团聚趋势明显增大。

这就涉及到如何解决纳米相的团聚问题。

在以后的研究过程中，这将成为研究的一大课题。

有待于有向往认识去了解去研究四、铝基复合材料的发展趋势1在制备工艺方面采用颗粒增强制备铝基复合材料成本相对较低，原材料资源丰富，制备工艺简单。

选择适当的增强颗粒与基体组合可制备出性能优异的复合材料，具有很大的发展潜力和应用前景【9】。

可以想象，在现代工业的高速发展和技术水平的高要求下，颗粒增强铝基复合材料必将以其独特优势在工业领域占据重要位置。

但同时我们也要看到发展的困难，颗粒增强铝基复合材料在未来的时间里要取得更进一步发展，并列入规模化生产的行列还需要进行更多的探索和实践。

因此，进一步加强理论研究。

2在增强体方面纤维增强铝基复合材料在基础理论、制备丁艺、性能水平等方面都有了很大的进步。

并且率先在宇航、航空和兵器中得到应用，在民用丁业中的应用也日渐增多。

如这种材料的制备工艺较复杂、纤维价格高、材料的性能水平尚欠稳定等问题制约着它的应用和发展。

进一步提高该材料的性能。

我们可以围绕着以下几点进行：(1)围绕经济有效，易操作的纤维增强体表面涂层处理技术；(2)铝及铝合金基体的合金化对丁二界面稳定性和结构的影响；(3)纤维增强体与铝及铝合金基体的界面结合强度对材料性能的影响；(4)实用化的纤维增强铝基复合材料制备工艺研究应用等。

铝基复合材料的研究取得了一系列成果，但仍有许多问题需要解决或继续研究，如界面结构和性能,高温使用性能，以及简化工艺、降低成本、材料的后续加工和回收等。