鋁基復(fù)合材料國內(nèi)外技術(shù)水平及應(yīng)用狀況

中國船舶重工集團公司 張文毓

1 鋁基復(fù)合材料種類和制備方法

按照不同的增強體，鋁基復(fù)合材料分為纖維增強和顆粒（直徑在0.5～100μm之間的等軸晶粒）增強、晶須增強鋁基復(fù)合材料。常用的增強顆粒主要包括SiC、Si3N4、Al2O3、TiC、TiB2、A1N、B4C 以及石墨顆?；蛘呓饘兕w粒等。

常見的幾種鋁基復(fù)合材料的制備工藝有粉末冶金法、壓力浸滲工藝、 反應(yīng)自生成法、高能高速固結(jié)工藝、半固態(tài)攪拌復(fù)合制造、噴射沉積法、攪拌摩擦加工法及球磨法制備納米碳管增強鋁基復(fù)合材料等。TiB2/A1復(fù)合材料的制備方法較多，主要有噴射沉積法、LSM、XDTM、擠壓鑄造、接觸反應(yīng)法、自蔓延高溫合成法和反應(yīng)機械合金化及粉末冶金法等。常見的幾種鋁基復(fù)合材料的制備工藝，如表1所示[1]。

表1 常用的鋁基復(fù)合材料制備工藝

2 鋁基復(fù)合材料國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展水平

2.1 國外鋁基復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展水平

鋁基復(fù)合材料的研究開始于20世紀(jì)50年代，近20年來無論從理論上還是技術(shù)上都取得了較大進步。各國在研發(fā)上都投入了大量的人力物力，它是金屬基復(fù)合材料中被研究最多和最主要的復(fù)合材料。目前開發(fā)的鋁基復(fù)合材料主要有 SiC/Al、B/Al、BC/Al、A12O3/Al等，其中，B/Al復(fù)合材料發(fā)展最快，目前美國能制造2m以上的各種B/A1型材、管材等，這些材料用于航空器上，可使質(zhì)量減輕20%。鋁基復(fù)合材料已經(jīng)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(zhàn)斗機上使用1.8～2.25t纖維增強鋁基復(fù)合材料（FRM），使戰(zhàn)斗機質(zhì)量減輕2%。前蘇聯(lián)航空材料研究所把硼纖維增強鋁基復(fù)合材料用于安-28、安-72型飛機機體結(jié)構(gòu)上，在提高可靠性的同時，零件質(zhì)量減輕25%～40%。但長期以來，由于鋁基復(fù)合材料還存在著制備工藝復(fù)雜，對環(huán)境和設(shè)備要求嚴(yán)格，成本很高等缺點，因此，其應(yīng)用還不普遍。

最早采用粉末冶金生產(chǎn)顆粒增強鋁基復(fù)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(jīng)具備規(guī)模生產(chǎn)能力和豐富的產(chǎn)品規(guī)格。DWA鋁基復(fù)合材料公司的主要產(chǎn)品為以6092、2009和6063為基體，SiC顆粒為增強體的復(fù)合材料。6092/SiC為其最早的產(chǎn)品系列，主要有板材和擠壓型材[2]。

最早的航空應(yīng)用實例是20世紀(jì)80年代美國洛克希德·馬丁公司將25%SiCP/6061A1復(fù)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(jì)90年代末，碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料在大型客機上獲得大量應(yīng)用。普惠公司從PW4084發(fā)動機開始，采用DWA公司生產(chǎn)的擠壓態(tài)碳化硅顆粒增強變形鋁合金基復(fù)合材料（6092/SIC/17.5p—T6）制作風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片，用于采用PW4000系列發(fā)動機的波音777客機上。

顆粒增強鋁基復(fù)合材料耐沖擊能力比樹脂基復(fù)合材料強，抗沖蝕能力是樹脂基復(fù)合材料的7倍，且容易發(fā)現(xiàn)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(fù)合材料制備發(fā)動機的活塞，重量減輕了5%～10% ，導(dǎo)熱性提高4倍左右。連桿是汽車發(fā)動機中第2個成功地應(yīng)用金屬基復(fù)合材料的零部件。日本Mazda公司制造的Al2O3/A1合金復(fù)合材料連桿，比鋼質(zhì)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(shù)小[3]。

2.2 國內(nèi)鋁基復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展水平

我國較全面地開展了鋁基復(fù)合材料方面的研究工作，包括纖維增強、顆粒增強、層壓復(fù)合、噴射沉積和原位生成等方面的研究，取得了進展，正走向?qū)嵱?。在國?nèi)，采用壓力鑄造高含量SiCp/A1復(fù)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(lǐng)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(chǔ)上，鋁基復(fù)合材料的研制水平逐漸成熟。舉例來說，我國20世紀(jì)90年代以前的鋁基復(fù)合材料塑韌性與成型加工一直沒有獲得突破，因此應(yīng)用受到局限。通過多年研究積累，“十五”期間我國在鋁基復(fù)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(fù)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(lǐng)域的認(rèn)可。今后，隨著研究水平穩(wěn)步提高以及新型復(fù)合材料的研發(fā)，鋁基復(fù)合材料將有望在許多領(lǐng)域得到應(yīng)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(yè)的新型材料——顆粒增強SiCp鋁基復(fù)合材料，在中鋁山東分公司研發(fā)成功。這種新型鋁基復(fù)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(wěn)定工作，因而被美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)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(chǎn)規(guī)模。目前，國際市場價格為3萬美元/t。由于利用該材料生產(chǎn)終端產(chǎn)品的鑄造工藝及其深加工關(guān)鍵工藝不成熟，目前國內(nèi)尚無企業(yè)進行規(guī)模化生產(chǎn)。該材料的研發(fā)成功，不僅填補了我國鋁基復(fù)合材料規(guī)?；a(chǎn)的空白，而且有望打破我國長期依賴進口的局面[4]。

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

3 鋁基復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域分析

顆粒增強鋁基復(fù)合材料和纖維增強鋁基復(fù)合材料已經(jīng)進入商品化應(yīng)用階段。

3.1 在交通運輸工具中的應(yīng)用

交通運輸工具始終是鋁基復(fù)合材料最重要的民用領(lǐng)域之一?？紤]到成本以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等相關(guān)因素，連續(xù)纖維增強鋁基復(fù)合材料以及成本偏高的非連續(xù)增強鋁基復(fù)合材料就被排除在這一領(lǐng)域之外，廉價的顆粒及短纖維增強鋁基復(fù)合材料尚有大規(guī)模應(yīng)用的可能。

鋁基復(fù)合材料在汽車工業(yè)的研究起步最早。20世紀(jì)80年代，日本豐田公司就已經(jīng)用硅酸鋁纖維增強鋁基復(fù)合材料，成功地制造了汽車發(fā)動機活塞抗磨環(huán)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(fù)合材料制造汽車制動盤，使其質(zhì)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(fù)合材料制造了汽車發(fā)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(shù)更小，導(dǎo)熱性更好。用SiCp/Al復(fù)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(fù)合材料也可以用來制造剎車轉(zhuǎn)子、剎車活塞、剎車墊板和卡鉗等剎車系統(tǒng)元件，還可用來制造汽車驅(qū)動軸和搖臂等汽車零件。上海交通大學(xué)及兵器科學(xué)研究院等單位，也針對鋁基復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用方面進行了大量的實踐工作。

3.2 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

鋁基復(fù)合材料的發(fā)展使得現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域制造輕便靈活、性能優(yōu)良的飛機和衛(wèi)星等成為可能。Cereast公司采用熔模鑄造工藝研制成20%Vol+A357SIC復(fù)合材料，用該材料代替鈦合金制造直徑達(dá)180mm、質(zhì)量為17.3kg的飛機攝像鏡方向架，使其成本和質(zhì)量明顯降低，導(dǎo)熱性提高。同時該復(fù)合材料還可以用來制造衛(wèi)星反動輪和方向架的支撐架。美國DWA公司用25%SiCp/6061鋁基復(fù)合材料代替7075制造航空結(jié)構(gòu)的導(dǎo)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(fù)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(fù)合材料由于自身的一些特殊優(yōu)點，在航空、航天和軍事部門備受青睞，應(yīng)用十分廣泛。例如，DWC特種復(fù)合材料公司制造的Cr/A1復(fù)合材料應(yīng)用于NASA公司的衛(wèi)星導(dǎo)波管上，其導(dǎo)電性好，熱脹系數(shù)小，比原來使用的石墨/環(huán)氧樹脂導(dǎo)波管要輕30%左右。俄羅斯航空材料研究所將B/Al復(fù)合材料用于安-28飛機的機體結(jié)構(gòu)上，零件質(zhì)量減少25%左右。此外，Al基復(fù)合材料還用于制造光學(xué)和電子零件，美國亞利桑那大學(xué)研制了一種超輕空間望遠(yuǎn)鏡，采用SiC/Al復(fù)合材料制造行架、支架和副鏡等，使質(zhì)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(tǒng)，大幅提高構(gòu)件剛度和壽命。這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的成功應(yīng)用說明美國和英國對這種材料的應(yīng)用研究已相當(dāng)成熟。

SiC顆粒增強的鋁基復(fù)合材料薄板未來將應(yīng)用于先進戰(zhàn)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(fù)合材料作為航天飛機中部長20m的貨艙架[4]。

3.3 在兵器武裝中的應(yīng)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(fù)合工藝的出現(xiàn)，使復(fù)合材料有可能用于大批量的常規(guī)兵器中。纖維增強鋁基復(fù)合材料因其良好的綜合性能，在兵器中的應(yīng)用已越來越廣，各先進國家投入了大量研究工作，試制了發(fā)動機中的連桿、活塞、戰(zhàn)術(shù)發(fā)動機殼體、制導(dǎo)舵板、戰(zhàn)斗部支撐架、軍用作戰(zhàn)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(jì)70年代末期就對Al2O3/A206復(fù)合材料制造履帶板進行了研究，通過采用復(fù)合材料制造履帶板可使其質(zhì)量從鑄鋼的544～680kg下降到272～362 kg，減輕近50%。美國海軍地面武器中心把SiC/A1復(fù)合材料用于船舶結(jié)構(gòu)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(fù)合材料制成的跨度為30m的舟橋，質(zhì)量只有5t，剛度比鋁合金的高30%。隨著價格和技術(shù)問題的不斷解決，此類材料在兵器領(lǐng)域中的應(yīng)用將會更加廣闊[5]。

3.4 在電子和光學(xué)儀器中的應(yīng)用

鋁基復(fù)合材料，特別是SiC增強鋁基復(fù)合材料，由于具有熱膨脹系數(shù)小、密度低及導(dǎo)熱性能好等優(yōu)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(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)完全可以與電子器件材料的熱膨脹相匹配，而且導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能也非常好。

在精密儀器和光學(xué)儀器的應(yīng)用研究方面，鋁基復(fù)合材料用于制造望遠(yuǎn)鏡的支架和副鏡等部件。另外，鋁基復(fù)合材料還可以制造慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精密零件、旋轉(zhuǎn)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(xué)儀器托架等許多精密儀器和光學(xué)儀器。

在電子封裝領(lǐng)域中應(yīng)用。自20世紀(jì)90年代以來，發(fā)達(dá)國家的一些公司大力發(fā)展用于電子封裝的高含量SiCp/Al復(fù)合材料。研制電子器件封裝用高導(dǎo)熱、低熱膨脹金屬基復(fù)合材料是新材料的最新研究發(fā)展動態(tài)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(fù)合材料，成為解決電子器件迅速傳熱和散熱問題的關(guān)鍵。最近研制的電子封裝復(fù)合材料是SiCp含量為60% ～75% 的鋁基復(fù)合材料 。

3.5 其他應(yīng)用

（1）低膨脹鋁基復(fù)合材料在星載大功率多工器中的應(yīng)用。

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

（3）復(fù)合材料電線。ElectriPlast材料有著廣泛的市場前景，在航空航天領(lǐng)域，有望應(yīng)用于電線電纜和除冰系統(tǒng)。因為該材料的平均質(zhì)量比銅輕20%，數(shù)英里長度的電纜質(zhì)量可減輕數(shù)噸。

（4）納微米混雜增強鋁基復(fù)合材料及其應(yīng)用。

該材料可廣泛推廣應(yīng)用在民用和軍用機動車輛發(fā)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(wěn)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(yīng)用。目前，運用該材料生產(chǎn)的軍用高功率增壓柴油機活塞已通過了發(fā)動機800h臺架試驗和1.0×104km跑車試驗，其綜合性能優(yōu)于德國馬勒公司產(chǎn)品，完全達(dá)到進口活塞的材質(zhì)要求。

（5）石墨纖維增強鋁基復(fù)合材料在空間遙感器鏡筒結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

20世紀(jì)60年代，美國就采用B/Al復(fù)合材料管材制造航天飛機軌道器主骨架，較原設(shè)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(yuǎn)鏡天線懸架是石墨纖維增強鋁基復(fù)合材料在航天器上的典型應(yīng)用。

加拿大航天局分別應(yīng)用碳化硅增強鋁基復(fù)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(tǒng)（Space Vision System）。其他多種復(fù)合材料在衛(wèi)星的展開式天線和空間相機的反射鏡上也有所應(yīng)用。

北京空間機電研究所曾經(jīng)采用非連續(xù)碳化硅增強鋁基復(fù)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(fù)合方法制備了用作空間光機結(jié)構(gòu)件的高體份SiC/Al復(fù)合材料。另外，多種樹脂基碳纖維復(fù)合材料還被用來制造空間相機的遮光罩、鏡筒和底板[6]。

（6）纖維增強鋁基復(fù)合材料在輸電導(dǎo)線中的應(yīng)用。

連續(xù)氧化鋁纖維增強鋁基復(fù)合芯輸電導(dǎo)線以其重量輕、強度大、蠕變小及線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，逐漸被研究人員重視。連續(xù)氧化鋁纖維增強鋁基復(fù)合材料是首次應(yīng)用于輸電導(dǎo)線，作為導(dǎo)線的承力部分[7]。

鋁基復(fù)合材料具有的特性使其在民用領(lǐng)域中得到較為廣泛的應(yīng)用。日本豐田公司1983年首次成功地用Al2O3/Al復(fù)合材料制備了發(fā)動機活塞，與原來的鑄鐵發(fā)動機活塞相比，質(zhì)量減輕了5%～10%，熱導(dǎo)性提高了4倍。

鋁基復(fù)合材料在制造自行車、醫(yī)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(yīng)用，如電子封裝復(fù)合材料、計算機光盤及汽車剎車盤等，促進這些工業(yè)成為新的經(jīng)濟增長點。其作為功能材料，可望在機械、冶金及建材等工業(yè)部門得到更廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

縱觀國內(nèi)外，對鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用研究主要集中在SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料，并且取得很大的成就。少數(shù)國家（如美國、日本、加拿大等）已進入應(yīng)用階段，取得了顯著的經(jīng)濟效益。鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域包括在交通運輸工具中的應(yīng)用，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，在兵器武裝中的應(yīng)用， 在電子和光學(xué)儀器中的應(yīng)用等。從發(fā)展趨勢看，21世紀(jì)初非連續(xù)增強鋁基復(fù)合材料不僅會成為航空航天和空間領(lǐng)域中不可替代的重要材料，而且會逐步拓寬民用市場，預(yù)計在本世紀(jì)將會大批量生產(chǎn)和應(yīng)用。

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