铝基复合材料的制备方法与应用领域

金属基复合材料(metal matrix composites，MMCs)是指以金属、合金或金属间化合物为基体，并且含有增强成分的一种复合材料。其中铝基复合材料是应用的热点，它具有质量轻、密度小、便于加工处理等优点，是航天航空和军事设备中常用的材料，现阶段铝基复合材料已经成为最常用、最重要的一种金属复合材料。

一、铝基复合材料的分类

按照不同的增强体，铝基复合材料分为纤维增强和颗粒(直径在015~100Lm之间的等轴晶粒)增强铝基复合材料。

1. 纤维增强铝基复合材料包括连续纤维增强、短纤维或晶须增强铝基复合材料。

①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。常用的连续纤维有碳纤维、硼纤维、SiC、和Al2O3纤维。

②短纤维由于一般采用挤压铸造法制备，工艺简单、制备成本低，且改善了增强体与高温金属溶液的润湿性问题。

③晶须是人工条件下生长出来的细小单晶。晶须增强的铝基复合材料具有比强度和比模量高、热稳定性好以及抗疲劳能力强等优良的性能。

硼酸镁晶须用于增强镁、铝基金属材料时，可提高弹性模量10%-50%

2. 颗粒增强金属基复合材料

颗粒增强铝基复合材料是现在应用最为广泛的金属基复合材料，增强体颗粒直径一般在0.1～1.0μm，粒子体积分数最高可以达到90%，主要有SiC、TiC、Al2O3和石墨等。而且生产成本低，易于批量生产;复合材料各向同性，克服了制备过程中诸如纤维损伤、微观组织不均匀等缺点，有效提高材料的耐磨、耐热、强度等性能。

二、铝基复合材料的性能

铝基复合材料的结构主要由基体、增强材料、中间相和界面组成，其性能取决于基体合金和增强物的特性、含量和分布等。

铝基复合材料的组成

1.强度、模量与塑性：增强体的加入在提高铝基复合材料的强度和模量的同时，降低了塑性。如SiC增强的铝基复合材料，会随着SiC体积分数的增大，强度和模量均有较大程度的提高，而塑性却降低。

2.比刚度和抗磨损性能：颗粒增强的铝基复合材料其比刚度(EPP)比一般铝合金高约60%，并随着加入颗粒尺寸的减小和数量的增多而变强。

3.疲劳与断裂韧性：铝基复合材料的疲劳强度和疲劳寿命一般比基体金属高，这与刚度及强度的提高有关，而断裂韧性却下降。

4.热稳定性及抗大气腐蚀能力：一般铝合金的强度对温度比较敏感，而铝基复合材料的强度在高于300 e时才呈快速下降趋势，300 e时短时拉伸强度仍有400MPa以上。由于基体材料为铝及铝合金，故抗大气腐蚀能力好，但是在酸、碱及NaCl介质中抗蚀性较差。

三、铝基复合材料的制备

制备铝基复合材料的方法主要分为三类固态制造法、液态制造法和原位合成法。

1. 固态制造法

固态制造法一般指的是在进行复合材料加工中，基体基本上处于固态，或者有少量液相的存在。固态法的制造温度较低，基体与增强体的界面反应不严重，主要包括粉末冶金、固态热压、热等静压法和爆炸焊接法。

①粉末冶金法

粉末冶金法是制备铝基复合材料最初采用的方法。通过超声波或球磨等方法将金属粉末与增强体混匀，然后经冷压固结得到复合坯件，最后通过热压烧结、压力加工制得铝基复合材料。

②固态热压法

固态热压法的工艺是在长时间的高温和一定的塑性变形下，依靠金属粉末之间和金属粉末与增强体之间接触部位原子间的相互扩散进行复合。

③热等静压法

热等静压也可归结于固态热压法，热等静压法用惰性气体加压，在热等静压装置中，工件在各个方向上受到均匀压力作用而成型。工艺的基本过程为：在高压容器内安放加热设备，将金属基体与增强体按一定比例混合排布放入金属包套中;抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，得到金属基复合材料。

2. 液态制造法

液态制造法指的是熔融状态下的金属基体与固态的增强体进行复合制备复合材料的方法。包括搅拌铸造法、液态金属浸渗、共喷沉积法和热喷涂法。

①搅拌铸造法

将颗粒或短纤维加入到基体金属的熔体中，通过搅拌使增强体分散均匀，然后浇铸成铸锭或所需零件的方法称为搅拌铸造法。

②液态金属浸渗

液态金属浸渗是在抽真空或者加压的状态下，使液态金属渗入先前用增强体做的预制件中，待其凝固后得到金属基复合材料的一种方法。该方法要求预制件有一定强度，具有一定抗变形能力，防止熔体冲散预制件造成增强体分布不均匀。

③共喷沉积法

在基体合金雾化的同时，加入增强体粉末，使二者共同沉积在收集器上，得到复合材料。该方法增强体与基体熔液接触时间短，二者反应易于控制，冷却速度大，所得到的铝基复合材料基体金属的晶粒细小且均匀，无宏观偏析。

④热喷涂法

热喷涂法一般包括等离子喷涂和氧-乙炔焰喷涂两种。金属基复合材料主要采用的是等离子喷涂，它是利用微波、灯丝、射频等激励等离子气体产生等离子弧的高温将基体熔化后喷射到基底上，冷却并沉积下来的一种复合方法。

3. 原位合成法

原位合成法指的是在复合材料制备过程中，增强体不是预先放置好的而是在基体内部就地生成和生长的方法。原位合成法主要包括定向凝固法和反应自生成法。

①定向凝固法

把某种共晶成分的合金原料在真空或者惰性气氛中、通过感应加热融化后，控制冷却方向，进行定向凝固。在这个反应过程中，析出的共晶相沿着凝固方向整齐排列，其中连续相为基体，条状或片状的分散相为增强体。这种方法得到的复合材料称为共晶复合材料。

②反应自生成法

原位复合是指在液态或固态铝或铝合金基体中，通过元素之间或元素、化合物间的化学反应，在铝基体内原位生成一种或几种硬度高、弹性模量大的陶瓷增强相，有效强化了铝基体。

四、铝基复合材料的应用

1.航空航天

铝基复合材料轻质、高强度等优点在航空航天领域里得到了广泛的应用，提升了航空航天领域的技术水平。美国NASA的Lewis研究中心用B/AL复合材料制造的发动机风扇叶片具有质量轻，刚性高，工作时的离心力小，叶尖速度高等特点，改善了发动机的气动效率，在F-100发动机(用于F-15和F-16战斗机)上通过了试验。DWA公司则用SiC颗粒增强6092铝基复合材料代替铝合金，大规模用于F16战斗机的垂直尾翼，提高寿命17倍，并降低成本33%。

2.汽车工业

铝基复合材料在汽车工业的研究起步最早。上世纪 80 年代, 日本丰田公司就已经用硅酸铝纤维增强铝基复合材料，成功地制造了汽车发动机活塞抗磨环、汽车连杆等汽车零部件。美国的Duralcan 公司研制出用 SiC 颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘，使其质量减轻了 40% ~60% ，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 SiC 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。

3.电子和光学仪器

铝基复合材料(尤其是SiC增强铝基复合材料)具有热膨胀系数小、密度低、导热性能好等特点，在精密仪器和光学仪器的应用研究方面，被用于制造望远镜的支架和副镜等部件。另外铝基复合材料还可以制造惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器和光学仪器。

4. 体育运动

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，广泛应用于体育运动领域。用SiC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。