三種汽車(chē)用輕量化材料的研究進(jìn)展

楊浩坤,黎偉華

（香港生產(chǎn)力促進(jìn)局智能制造部，香港 999077）

碳達(dá)峰指的是二氧化碳排放量達(dá)到歷史最高值，達(dá)到峰值之后進(jìn)入逐步降低的階段。碳中和指的是二氧化碳的排放量與去除量相互抵消。這兩項(xiàng)目標(biāo)相輔相成，即只有實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，才能實(shí)現(xiàn)碳中和［1］。為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，進(jìn)而完成碳中和目標(biāo)，降低化石燃料的消耗是必須考慮的方案。根據(jù)世界銀行公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，目前中國(guó)的二氧化碳排放量約為100億噸，占全球排放量的29%［1］，其中與交通業(yè)相關(guān)的碳排量占比約10%，且總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。因此，低油耗、低排放技術(shù)是目前中國(guó)交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)［2］。根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果顯示［3-4］，每減輕10%的車(chē)身重量就可以降低10%的廢氣排放量，同時(shí)可提升6%—8%的燃油效率。由此可見(jiàn)，降低汽車(chē)車(chē)身整體重量，對(duì)降低二氧化碳排放量和提升燃油效率有著雙重的促進(jìn)作用。

實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)身輕量化，可以從兩個(gè)方面入手。一方面，用輕合金替代傳統(tǒng)鋼材，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件整體重量輕量化的目標(biāo)，該類(lèi)型的輕合金包括高強(qiáng)度7 系鋁合金［5-6］、高強(qiáng)高韌鎂鋰合金［7-8］等最新輕合金材料。另一方面，通過(guò)新工藝實(shí)現(xiàn)輕合金（鋁合金、鎂合金）作為結(jié)構(gòu)件替代部分鋼結(jié)構(gòu)材料，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化，相關(guān)新工藝包括異種金屬（鋁-鋼、鎂-鋼）的耐疲勞、無(wú)焊孔的回填式攪拌摩擦焊接技術(shù)［9-10］，以及通過(guò)累積疊軋［11-12］和熱壓［10，13］等工藝。此外，通過(guò)設(shè)計(jì)高效的散熱導(dǎo)熱材料，以有效降低散熱器件的體積和重量，在滿(mǎn)足導(dǎo)熱效率的同時(shí)，可增強(qiáng)材料和構(gòu)件強(qiáng)度和安全性。利用粉末冶金［13-15］或攪拌摩擦焊接［16-18］等方法，制備的顆粒增強(qiáng)鋁基或鎂基復(fù)合材料，在保證整體構(gòu)件導(dǎo)熱性的前提下可提升構(gòu)件的強(qiáng)度和耐磨性。

除了對(duì)輕量化方面的需求外，汽車(chē)工業(yè)在安全性、低成本以及快速制造等方面也有著日益嚴(yán)苛的需求。本文以輕合金材料的輕量化和功能化設(shè)計(jì)為主線(xiàn)，對(duì)超輕鎂鋰合金、鋁-碳（化物）復(fù)合材料和鑄造鋁合金的新工藝和性能進(jìn)行論述，結(jié)合本研究團(tuán)隊(duì)在金屬及其復(fù)合材料輕量化及功能化方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹，對(duì)我國(guó)新材料與工藝的發(fā)展需求進(jìn)行展望，以期為中國(guó)金屬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供借鑒和參考，貢獻(xiàn)綿薄之力。

1 超輕鎂鋰合金性能與制備工藝

作為輕合金中最有發(fā)展?jié)摿Φ逆V合金，因其具有較低的密度和良好的成型性能（可進(jìn)行壓鑄、擠壓和沖壓等工藝成型），被視為汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵材料而備受關(guān)注。其中，鎂鋰合金作為新一代超輕鎂合金的代表，引起了學(xué)術(shù)與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

1.1 鎂鋰合金介紹

目前鎂鋰合金作為金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的合金，將會(huì)在交通運(yùn)輸，尤其是汽車(chē)車(chē)身輕量化方面有著廣泛的應(yīng)用。鎂鋰合金的密度一般在1.35—1.65 g?cm?3之間，并隨著Li 元素含量的增加而進(jìn)一步降低至1 g?cm?3以下［19］。根據(jù)鎂鋰合金二元相圖［20］（圖1）可知：當(dāng)Li 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5.7%時(shí)，合金以密排六方（hexagonal close-packed，hcp）的α-Mg 相組成；當(dāng)Li 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10.3%時(shí)，合金由體心立方結(jié)構(gòu)（body centred cubic，bcc）β-Li相組成；而當(dāng)Li 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于5.7%—10.3%之間時(shí)，則由α-Mg 相與β-Li 相混合組成。由于Li 元素的加入，激活了α-Mg 相中的錐面滑移，提升了hcp 結(jié)構(gòu)的α-Mg 相的塑性變形能力［21-22］；并且bcc 結(jié)構(gòu)的β-Li 相在室溫下有較強(qiáng)的塑性，最終使得鎂鋰合金在室溫下的塑性能力得到大幅提升。但是鎂鋰合金的抗拉強(qiáng)度很難超過(guò)200 MPa 的安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，極大限制了此類(lèi)超輕合金在汽車(chē)車(chē)身輕量化方面的應(yīng)用［23］。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鎂鋰合金的強(qiáng)化方法，發(fā)展出了以合金化成分設(shè)計(jì)和塑性變形強(qiáng)化為主的兩條路線(xiàn)，并取得了一定突破。

圖1 鎂鋰合金二元相圖［20］Figure 1 Mg-Li binary phase diagram

1.2 鎂鋰合金的合金強(qiáng)化機(jī)制

為了提升鎂鋰合金的強(qiáng)度，Al 和Zn 元素被考慮添加在基體中形成有效的強(qiáng)化相，并可起到細(xì)化晶粒 等 效 果［24-25］。Tang 等［26］和Hagihara 等［27］研 究 發(fā)現(xiàn)，固溶在β-Li 相中的Al 元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%），經(jīng)過(guò)350—400 ℃人工時(shí)效處理，會(huì)形成DO3-Mg3Al 半共格納米尺度的析出物，可極大提升bcc 相中的｛101｝滑移面上的<111>滑移分切應(yīng)力至220 MPa 以上，進(jìn)而獲得抗拉強(qiáng)度高達(dá)400 MPa 的新型Mg-Li-Al合 金 材 料。另 外，根 據(jù)Perugu 等［28］和Yamamoto等［29］的研究指出：在鎂鋰合金中添加Zn 元素可以有效降低α-Mg 相的體積分?jǐn)?shù)和片層尺寸；同時(shí)，Zn 元素的加入還起到了固溶強(qiáng)化，以及在α-Mg 相中析出了MgLiZn 相和在β-Li 相及α+β相界面處析出了MgLi2Zn 相，從而形成了析出相強(qiáng)化；此外，Zn 元素還能起到弱化<110>織構(gòu)的效果，最終鎂鋰合金獲得了與7075 鋁合金相當(dāng)?shù)谋葟?qiáng)度200 MPa?cm3?g?1和高達(dá)50%的拉伸塑性。Cui 等［30］系統(tǒng)地研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Ca 元素對(duì)Mg-1Li、Mg-9Li 和Mg-15Li 合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，Ca 元素的添加，不僅能進(jìn)一步降低鎂鋰合金的密度，還能在合金基體中析出Mg2Ga 金屬間化合物，起到強(qiáng)化作用，其中Mg-9Li-1Ga 合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)12 MPa，且延伸率接近55%，具有優(yōu)良的可塑性加工能力。

稀土元素也被考慮作為鎂鋰合金的強(qiáng)化元素被廣泛研究。Krol 等［31］系統(tǒng)研究了Ce-La-Nd 混合稀土（RE）對(duì)Mg-Li-Al 合金的組織和硬度的影響，結(jié)果表明，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的RE 元素，可在α-Mg 和β-Li 相的相界面和內(nèi)部形成大量的微米級(jí)的細(xì)化晶粒作用的Al2RE 金屬間化合物（圖2）。Ji 等［32］探討了Y 和Ce 稀土元素對(duì)Mg-Li-Zn 合金組織和力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：Y 和Ce 元素的加入會(huì)形成大量的亞微米級(jí)Mg24Y5、Mg12ZnY、Mg12Ce 和CeZn5金屬間化合物，這些析出相形成了有效的彌散強(qiáng)化效果（圖2），并開(kāi)發(fā)了具有231 MPa 屈服強(qiáng)度、255 MPa 抗拉強(qiáng)度和31.9% 延伸率的Mg-9Li-1Zn-1.5Y 合金。由此可見(jiàn)，稀土元素的添加，會(huì)形成大量細(xì)密的含稀土元素的金屬間化合物，進(jìn)而對(duì)鎂鋰合金的硬度和拉伸強(qiáng)度有直接的提升作用。然而稀土元素的價(jià)格昂貴，且在熔煉過(guò)程中因?yàn)樵孛芏群腿埸c(diǎn)的差異會(huì)導(dǎo)致鑄錠元素分布不均勻，且過(guò)量稀土元素的添加會(huì)導(dǎo)致含RE 金屬間化合物聚集，極大降低鎂鋰合金的強(qiáng)度和塑性［33］。因此，除了合金化強(qiáng)化方法外，塑性變形強(qiáng)化同時(shí)也要被考慮。

圖2 Mg-Li-RE 合金SEM 圖［31-32］Figure 2 SEM morphologies of Mg-Li-RE alloy

1.3 鎂鋰合金的變形強(qiáng)化機(jī)制

常用的鎂鋰合金的塑性變形方法有熱擠壓和熱軋兩種方式。熱擠壓是通過(guò)在200—260 ℃的溫度下，對(duì)均勻化處理后的鎂鋰合金進(jìn)行高擠壓比塑性變形，以提升材料的硬度和拉伸性能的方法［34-35］。邱相儒等［34］通過(guò)以粒徑為0.1—3 μm 的YAl2p金屬間化合物作為增強(qiáng)相，制備了YAl2p/Mg-14Li-3Al復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)：在200 ℃下按69∶1 擠壓比進(jìn)行熱擠壓后，得到沿?cái)D壓方向呈線(xiàn)性分布的YAl2p增強(qiáng)鎂鋰合金（圖3），其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及均勻延伸率分別得到了63.5%、66.9%和170%的提升。Feng 等［35］采用擠壓比4∶1 到25∶1 的熱擠壓工藝對(duì)Mg-8Li-3Al-2Zn-0.5Y 合金進(jìn)行了微觀組織和力學(xué)性能的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：MgLi2Al 和Al2Y 金屬間化合物被打碎，并沿著擠壓方向均勻分布，起到了彌散強(qiáng)化的作用（圖3）；擠壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，擠壓比為16∶1時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及均勻延伸率分別達(dá)到了214 MPa、243 MPa 和41%。

圖3 經(jīng)過(guò)熱擠壓后的析出相SEM 圖［34-36］Figure 3 SEM morphologies of precipitations after hot extraction

此外，通過(guò)軋制變形可以對(duì)α-Mg 相及α-Mg+β-Li 雙相的鎂鋰合金有較為明顯的強(qiáng)化效果。劉旭賀等［36］通過(guò)對(duì)Mg-11Li-3Al-0.1Zr 合金進(jìn)行冷軋變形處理（變形量為40%—80%）后發(fā)現(xiàn)：隨著軋制變形量的增加，合金中α-Mg、AlLi 和MgLi2Al 相的衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，表明相變強(qiáng)化機(jī)制開(kāi)始顯現(xiàn)；當(dāng)鎂鋰合金當(dāng)變形量為60%時(shí)，合金的晶粒明顯被細(xì)化和拉長(zhǎng)（圖3），同時(shí)抗拉強(qiáng)度及延伸率分別達(dá)到了242 MPa 和46%。Tang 等［37］系統(tǒng)研究了熱軋溫度對(duì)Mg-xLi-3Al-2Zn-0.2Y（x=5，8，11）合金組織、織構(gòu)和強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，軋制溫度的提升可有效促進(jìn)再結(jié)晶，弱化了基面織構(gòu)并在230 ℃的軋制溫度下發(fā)現(xiàn)了｛211｝<201>新類(lèi)型織構(gòu)，合金的抗拉強(qiáng)度約為250 MPa、塑性變形約為39%。Wu等［38］采用累積疊軋方法制備了以軟質(zhì)Mg-12Li-1Al為表層、以硬質(zhì)Mg-5Li-1Al 為中間夾層的復(fù)合鎂鋰合金板材，并且通過(guò)350—400 ℃的退火處理，實(shí)現(xiàn)了片層之間的冶金結(jié)合，從而保證了復(fù)合板材組織的一致性，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)230 MPa，通過(guò)260 ℃和30 min 的退火處理后其延伸率可達(dá)20%。由此可見(jiàn)，通過(guò)塑性變形強(qiáng)化和熱處理結(jié)合的方法，鎂鋰合金的強(qiáng)度同樣能得到提升。對(duì)于鎂鋰合金，因其含有較高的鋰元素，在熱軋過(guò)程中易在表面形成氧化物，導(dǎo)致元素?zé)龘p等成分偏析問(wèn)題，進(jìn)而影響鎂鋰合金的綜合力學(xué)性能。因此，采用大規(guī)模熱軋工藝的時(shí)候，鎂鋰合金的元素?zé)龘p問(wèn)題亟待解決。

1.4 低成本鎂鋰合金的制備技術(shù)

通過(guò)合金和塑性變形強(qiáng)化方法，鎂鋰合金的抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到250 MPa，并具有可觀的塑性變形能力。但是，傳統(tǒng)制備鎂鋰合金的方法主要為真空熔煉和覆蓋溶劑保護(hù)兩種方法［39-42］。真空熔煉由于氣壓過(guò)低，容易造成Li 等元素?fù)]發(fā)進(jìn)而難以控制元素成分。而覆蓋溶劑保護(hù)的覆蓋劑通常為氯化鋰和氟化鋰，其可形成連續(xù)流動(dòng)的保護(hù)層以防止Li 元素的揮發(fā)［43］，但是這類(lèi)覆蓋劑會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用?；诟圪Y企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)對(duì)輕合金熔煉的較高安全要求為前提，香港生產(chǎn)力促進(jìn)局的胡勇等［8］提出將手套箱與電阻爐進(jìn)行組合，電阻爐置于手套箱內(nèi)，手套箱提供惰性氣體氛圍，而用手套箱中的電阻爐進(jìn)熔煉，來(lái)開(kāi)展鎂鋰合金成分設(shè)計(jì)和制備工作（圖4）。操作者將純鎂顆粒、鎂鋰中間合金、純鋅顆粒和純鋁顆粒等按照所需的成分進(jìn)行配比，然后將其放入電阻爐中的石墨坩堝內(nèi)進(jìn)行熔煉，整個(gè)熔煉和澆鑄過(guò)程都是在等同大氣氣壓的氬氣環(huán)境中進(jìn)行，以抑制Li 等元素的揮發(fā)。該方法可以實(shí)現(xiàn)從20 g 到500 g 的Mg-Li-Al-Zn 合金鑄錠的制備工作，且合金錠的元素成分可控，方便開(kāi)展鎂鋰合金成分與性能方面的研究。澆鑄后的Mg-Li-Al-Zn 合金錠在400 ℃溫度下進(jìn)行固溶處理，并進(jìn)行下壓量為20%的冷軋，以獲得合金錠。此工藝能細(xì)化晶粒和消除鑄造引起的孔洞缺陷，進(jìn)一步提升材料力學(xué)性能。通過(guò)該制備工藝得到的Mg-Li-Al-Zn 合金，其最高抗拉強(qiáng)度接近200 MPa，并且可直接通過(guò)沖壓制備復(fù)雜形狀的鈑金產(chǎn)品，通過(guò)該工藝制備的Mg-Li-Al-Zn 合金有望作為汽車(chē)車(chē)身覆蓋件而被使用。

圖4 鎂鋰合金制備Figure 4 Mg-Li alloy preparation

綜上所述，鎂鋰合金因?yàn)榫哂械兔芏群透弑葟?qiáng)度的雙重優(yōu)勢(shì)，作為非主承載結(jié)構(gòu)件（例如轉(zhuǎn)向管柱支架、儀表板骨架、座椅估計(jì)等）具有巨大應(yīng)用前景。通過(guò)引入手套箱提供氬氣氣氛保護(hù)，并于小型熔煉爐中進(jìn)行鎂鋰系輕合金的熔煉，所述設(shè)備和方法可實(shí)現(xiàn)小批量、多品種的鎂鋰合金制備，并提升材料成分的設(shè)計(jì)工作效率。此外，結(jié)合熱軋進(jìn)行組織致密化和晶粒細(xì)化處理，進(jìn)一步提升鎂鋰合金力學(xué)性能。因此，采用上述制備工藝，科研學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、原材料制造企業(yè)與鎂合金五金加工企業(yè)合作進(jìn)行的鎂鋰合金二次開(kāi)發(fā)項(xiàng)目成本可顯著降低，且產(chǎn)品試制進(jìn)度也可大幅提升。

2 鋁?碳（化物）復(fù)合材料性能及復(fù)合工藝

鋁基復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐磨耐疲勞等優(yōu)良力學(xué)性能［44-46］，被認(rèn)為是在保證汽車(chē)安全和可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化的熱門(mén)研究方向。到目前為止，較為成功的鋁基復(fù)合材料主要應(yīng)用在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞［47］、制動(dòng)盤(pán)［48］、氣缸套［49］、輪轂［50］、驅(qū)動(dòng)軸［51］等部件上。優(yōu)異力學(xué)性能的鋁基復(fù)合材料離不開(kāi)復(fù)合增強(qiáng)相與基體材料的選擇，以及復(fù)合工藝的開(kāi)發(fā)。此外，鋁-碳（化物）復(fù)合材料除了具有優(yōu)異的力學(xué)性能外，其在散熱/導(dǎo)熱功能化應(yīng)用方面也具有潛在應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)合理設(shè)計(jì)鋁-碳（化物）復(fù)合材料，可替代沉重的銅制散熱/導(dǎo)熱器件，為汽車(chē)電子部件的輕量化設(shè)計(jì)提供了幫助。

2.1 鋁?碳（化物）復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)相，按照形貌可以分為連續(xù)增強(qiáng)相和非連續(xù)增強(qiáng)相。連續(xù)增強(qiáng)相，即纖維增強(qiáng)相多為非金屬纖維，其又可分為長(zhǎng)纖維形式的碳纖維［52］和短纖維形式的Al2O3纖維［53］（圖5）。纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)制主要分為兩類(lèi)：（1）以纖維引起的裂紋偏轉(zhuǎn)和應(yīng)力集中釋放的增韌機(jī)制；（2）纖維增強(qiáng)相本身的強(qiáng)化機(jī)制，最終形成了強(qiáng)度和塑性變形能力的同步提升［52，54］。Rawal［55］采用擴(kuò)散焊接工藝，開(kāi)發(fā)了連續(xù)硼纖維增強(qiáng)純鋁及連續(xù)石墨纖維增強(qiáng)6061 鋁合金的制備方法，并實(shí)現(xiàn)了沿著連續(xù)纖維方向高達(dá)1100 和905 MPa 的抗拉強(qiáng)度。Li 和Chao［56］在36 MPa 的壓 力 和800 ℃的 溫 度下，通過(guò)擠壓鑄造方法制備連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并獲得了160 MPa 的整 體拉伸強(qiáng)度。Cao 等［57］采用攪拌摩擦焊的方式，將連續(xù)碳纖維埋置在鋁合金表面的銑槽內(nèi)，然后用轉(zhuǎn)速為1000 r·min?1的攪拌針對(duì)鋁基體和碳纖維進(jìn)行攪拌摩擦焊加工，通過(guò)攪拌摩擦焊的方法獲得的碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，碳纖維取向呈現(xiàn)隨機(jī)分布狀態(tài)，且復(fù)合材料整體達(dá)到283 MPa 的抗拉強(qiáng)度。

圖5 纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料［52-53］Figure 5 Fiber reinforced Al alloy composite materials

除了纖維增強(qiáng)工藝外，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料也取得了明顯的強(qiáng)化效果，現(xiàn)有顆粒增強(qiáng)相（圖6）包括SiC 顆粒［58］、Al2O3顆粒［59］、碳納米管［60］等。顆粒增強(qiáng)的機(jī)制主要在復(fù)合材料的制備過(guò)程中，因基體合金與增強(qiáng)相間存在熱膨脹系數(shù)差異，導(dǎo)致在冷卻收縮過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力進(jìn)而引起基體微變形，最終引起界面附近出現(xiàn)高密度位錯(cuò)［61-62］。這些高密度位錯(cuò)組態(tài)還會(huì)促進(jìn)析出相強(qiáng)化，進(jìn)一步提升顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度［63-64］。Jain 等［65-66］采用兩步攪拌澆鑄法制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)從8%到15%的SiC 顆粒增強(qiáng)6101 鋁合金復(fù)合材料，所制備的SiC 顆粒增強(qiáng)6101鋁合金復(fù)合材料的致密度可高達(dá)95%，當(dāng)SiC 顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)材料的屈服及抗拉強(qiáng)度分別為105 和175 MPa。Pang 等［67］通過(guò)熱等靜壓方式，將 質(zhì) 量 分 數(shù)12% 的B4C 顆 粒、2.5% 的Al2O3及85.5%的6061 鋁合金顆粒的混合物在650 ℃和100 MPa 的條件下燒結(jié)0.5 h，可獲得顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。拉伸性能測(cè)試表明，通過(guò)加入少量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約2.5%）的Al2O3顆粒，可以使該復(fù)合材料的屈服及抗拉強(qiáng)度從148 和241 MPa 提升到242 和306 MPa。Singh 等［68］通 過(guò) 攪 拌 摩 擦 焊 方 式，制 備 了Al2O3顆粒增強(qiáng)6061 鋁合金。通過(guò)增強(qiáng)相顆粒和晶粒細(xì)化的雙重作用，可使該鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度超過(guò)250 MPa，但是耐磨性有一定的損失。與此同時(shí)，高溫?zé)Y(jié)過(guò)程會(huì)加速Al4C3等脆性金屬間化合物，導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能惡化。此外，碳（化物）增強(qiáng)相尺寸普遍在微米到亞微米級(jí)別，在與鋁金屬顆粒進(jìn)行混合過(guò)程中無(wú)法避免增強(qiáng)相顆粒的團(tuán)聚問(wèn)題，導(dǎo)致鋁基復(fù)合材料的組織不均勻，易引起應(yīng)力集中等劣化現(xiàn)象。因此，降低燒結(jié)溫度和時(shí)間，以及提升增強(qiáng)相均勻分布效果是保證復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的有效方法。

圖6 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料［58-60］Figure 6 Particle reinforced Al and Al alloy composite materials

2.2 鋁-碳（化物）復(fù)合材料在汽車(chē)零配件上的應(yīng)用

汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。有研究表明［48］，汽車(chē)整體質(zhì)量降低10%，燃油消耗和排放可降低5%—8%，燃油消耗每減少1 L，CO2排放就可降低2.45 kg。因此，采用低密度的輕質(zhì)合金（如鋁）作為鋼制汽車(chē)配件的替代材料，可以有效降低整體構(gòu)件重量，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。但是，如上所述，由于鋁及鋁合金的較低的耐磨性和較差的高溫力學(xué)性能，在很大程度上限制了其作為輕量化材料在汽車(chē)零配件上的應(yīng)用，尤其是活塞、輪滾、制動(dòng)盤(pán)等關(guān)鍵部件。為此，鋁-碳（化物）復(fù)合材料可被應(yīng)用于提升鋁基材料的耐磨性和高溫力學(xué)性能。

王波等［47］采用擠壓鑄造方法，將純鋁顆粒、Al-20Si 顆粒、純鎂顆粒、純鎳片、純銅片和直徑5—25 μm 的SiO2粉末混合制備了Al-12Si-1Cu-1Mg-1Ni基體合金材料，在65 MPa 壓力下進(jìn)行擠壓鑄造而獲得了增強(qiáng)相彌散分布的Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。該復(fù)合材料從室溫到200 ℃之內(nèi)能夠保持200 MPa 以上的抗拉強(qiáng)度，表明該復(fù)合工藝和Al2O3顆粒增強(qiáng)相能夠有效提升鋁基復(fù)合材料的耐熱性能，適合作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的輕量化構(gòu)件材料。此外，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，鋁基復(fù)合材料相比鋼鐵材料具有更輕的密度、更低的導(dǎo)熱系數(shù)，以及可實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行整體鑄造和更接近的熱膨脹系數(shù)。為此，鄧德杰［49］采用平均顆粒直徑50 μm 的SiC 顆粒（表面含有一層SiO2，可提升其與鋁基體的粘合性）作為鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體，在710 ℃下熔化A356鋁合金，待鋁液溫度降至600 ℃后加入SiC 顆粒，并且將離心鑄造設(shè)備轉(zhuǎn)速設(shè)定為350 r·min?1（設(shè)備直徑為116 mm）并攪拌20 min 使顆粒均勻分布，然后將離心機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1400 r·min?1并將模具設(shè)定在300 ℃條件下進(jìn)行澆鑄，最后得到了外層為A356 鋁合金、內(nèi)層為A356-SiC 復(fù)合材料的復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。隨后對(duì)復(fù)合材料界面的進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，A356-SiC 鍍層硬度可以達(dá)到80 HRF，界面結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)13.27 MPa，這可有效提升汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體服役壽命，并同時(shí)起到發(fā)動(dòng)機(jī)減重的效果。Natarajan［69］等在750 ℃下熔煉A356 鋁合金，并采用攪拌鑄造方法均勻加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的SiC 進(jìn)行復(fù)合，并后續(xù)進(jìn)行T6 熱處理。將該A356-SiC 復(fù)合材料與對(duì)照組的傳統(tǒng)灰口鑄鐵材料進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，A356-SiC 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)比傳統(tǒng)灰口鑄鐵材料高20%，且磨損率更低，表明A356-SiC 復(fù)合材料作為汽車(chē)剎車(chē)片，可有效提升剎車(chē)效率，保障汽車(chē)行駛安全?；诂F(xiàn)有復(fù)合技術(shù)制備鋁-碳（化物）復(fù)合材料的成本較高，這是因?yàn)樾枰婵諢Y(jié)，并且對(duì)真空設(shè)備的尺寸和真空度有較高要求。因此，如何設(shè)計(jì)能夠減弱甚至隔絕大氣環(huán)境影響的燒結(jié)技術(shù)是鋁-碳（化物）復(fù)合材料大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵突破點(diǎn)。

2.3 鋁?碳復(fù)合材料的導(dǎo)熱/散熱性能研究

碳（化物）增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料對(duì)提升鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度有顯著作用，同時(shí)鋁-碳復(fù)合材料在功能化應(yīng)用方面也有巨大的應(yīng)用價(jià)值，其中散熱/導(dǎo)熱功能是著重發(fā)展方向。隨著電子行業(yè)，尤其是芯片的功率密度不斷提升，對(duì)鋁-碳復(fù)合材料的功能化，即散熱/導(dǎo)熱功能的需求越來(lái)越強(qiáng)烈［70］。鋁-碳（化物）復(fù)合材料作為散熱器件，其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，不僅能維持電子芯片的穩(wěn)定工作，還能進(jìn)一步減輕散熱器件的體積和重量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的輕量化。雖然純鋁的比熱導(dǎo)率（約87.8×10?6（w·m2·g?1·K?1）遠(yuǎn)高于純銅（44.9×10?6w·m2·g?1·K?1［70］），但是鋁的熱膨脹系數(shù)高達(dá)23.6×10?6m?K?1，遠(yuǎn)高于作為芯片襯底硅的熱膨脹系數(shù)（約4.1×10?6m?K?1），因此在受熱過(guò)程中傳統(tǒng)鋁制散熱器件會(huì)產(chǎn)生熱膨脹而導(dǎo)致大量?jī)?nèi)應(yīng)力堆積，進(jìn)而對(duì)芯片和電路板產(chǎn)生破壞［71］。

最近碳材料作為新一代導(dǎo)熱/散熱材料引起了大眾的關(guān)注。碳材料包括碳納米管、石墨烯、金剛石及石墨片等，其特點(diǎn)是具有高導(dǎo)熱和低熱膨脹系數(shù)，能夠保證散熱/導(dǎo)熱的前提下減少因受熱引起的內(nèi)應(yīng)力破壞，并且通過(guò)復(fù)合工藝可實(shí)現(xiàn)碳材料優(yōu)異導(dǎo)熱性和金屬良好力學(xué)性能的結(jié)合，被認(rèn)為是導(dǎo)熱材料的未來(lái)發(fā)展方向之一。碳納米管的軸向?qū)崧矢哌_(dá)3000 W ?m?1?K?1，但 是 徑 向 導(dǎo) 熱 只 有5 W ?m?1?K?1，碳納米管極易因團(tuán)聚而導(dǎo)致宏觀性能急劇降低［72］。對(duì)于石墨烯而言，其在平行于碳原子層的平面內(nèi)也具有極高的導(dǎo)熱率（約5000 W?m?1?K?1）［73］，但是石墨烯同樣具有易團(tuán)聚、導(dǎo)熱性能受晶體取向影響大，以及制備成本高等缺點(diǎn)，較難進(jìn)行大批量生產(chǎn)和商業(yè)化。而對(duì)于金剛石，其具有極高的硬度和脆性，導(dǎo)致以金剛石為添加物的復(fù)合材料加工性能差，并且金剛石與金屬間的浸潤(rùn)性差，只能通過(guò)在金剛石與金屬間添加過(guò)渡層來(lái)加強(qiáng)結(jié)合［74-75］，但是鍍層技術(shù)復(fù)雜且成本高，以及鍍層均勻性差等劣勢(shì)，限制了金剛石作為鋁基復(fù)合材料添加物的推廣。

石墨作為易于獲取的碳材料，其導(dǎo)熱率高達(dá)2000 W?m?1?K?1，并且具有在沿石墨層間及片層方向的熱膨脹系數(shù)分別為16.9×10?6和?1.5×10?6K?1的優(yōu)異性能，應(yīng)充分發(fā)揮鋁-石墨復(fù)合材料在導(dǎo)熱/散熱材料領(lǐng)域的巨大潛力［13，76］。Zhou 等［77］通過(guò)擠壓鑄造方法，將Al-Si-Mg 合金、純Si 顆粒和石墨片混合，并加熱到760 ℃進(jìn)行熔化，隨后在100 MPa的壓力下進(jìn)行擠壓鑄造而獲得導(dǎo)熱系數(shù)為200—500 W?m?1?K?1的鋁-石墨片復(fù)合材料。Kurita 等［78］通過(guò)在純鋁顆粒和石墨片復(fù)合材料中添加體積分?jǐn)?shù)5% 的鋁硅合金顆粒，隨后在600 ℃的溫度和60 MPa 的壓力下進(jìn)行熱壓處理。結(jié)果表明，鋁硅合金顆粒的加入可以提高復(fù)合材料的致密度，并獲得了導(dǎo)熱系數(shù)為200—450 W?m?1?K?1且熱膨脹系數(shù)為20×10?6—25×10?6K?1的鋁基復(fù)合材料，但是由于高溫高壓作用會(huì)在碳顆粒和鋁基體的界面形成Al4C3金屬間化合物，阻礙了熱傳輸并惡化了界面強(qiáng)度［79］。

為了盡量降低因?yàn)闊嵊绊懸鸬腁l4C3金屬間化合物對(duì)整體復(fù)合材料力學(xué)性能的弱化，香港生產(chǎn)力促進(jìn)局的胡勇等［13］采用Al-20Si 合金作為基體材料，在低于450 ℃的溫度和45 MPa 的壓力下進(jìn)行燒結(jié)，得到了致密組織的復(fù)合材料。操作人員通過(guò)改變熱壓石墨模具，可以制備不同形狀的復(fù)合材料，如圖7 所示。通過(guò)導(dǎo)熱和熱膨脹測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)在42—44 W?m?1?K?1之間，熱膨脹系數(shù)則穩(wěn)定在12×10?6—22×10?6?K?1之間，表明采用過(guò)共晶組織的Al-20Si 合金粉末替代純鋁粉末，可以提高材料在高溫下的流動(dòng)性，并在壓力與溫度共同作用下可有效降低熱處理時(shí)間及減少有害界面相的生成，從而保證材料的強(qiáng)度。該工藝的原材料成本低且易于獲得，在整體復(fù)合過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生廢氣、廢水等污染物，適合中小企業(yè)開(kāi)展小批量產(chǎn)品生產(chǎn)和相關(guān)研究工作。

圖7 熱壓鋁硅-石墨片復(fù)合材料宏觀形貌及微觀組織形貌［13］Figure 7 Macro-observation of Al-Si-Graphite flake composite materials， and micro-observation of the composite material microstructure

在汽車(chē)結(jié)構(gòu)件中，制動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)均工作在極端環(huán)境下。鑒于在輕質(zhì)耐磨和導(dǎo)熱散熱方面的雙重特性，鋁-碳（化物）復(fù)合材料適合作為在極端環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定服役的關(guān)鍵材料。若采用低損傷的熱壓燒結(jié)或者其他能夠?qū)崿F(xiàn)低溫短時(shí)燒結(jié)的工藝，可以有效提升復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性，同時(shí)抑制在鋁和碳（化物）界面形成脆性析出相而破壞材料力學(xué)性能。此外，高的導(dǎo)熱系數(shù)能夠及時(shí)引導(dǎo)和排出制動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，避免精密器件因受熱膨脹而影響配合，導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)或者發(fā)動(dòng)機(jī)失效引起的安全問(wèn)題。汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)盤(pán)、剎車(chē)片、摩擦副，以及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的缸套、活塞和連桿等配件，都將是鋁-碳（化物）復(fù)合材料重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 鑄造高導(dǎo)熱鋁硅合金

隨著電子產(chǎn)品計(jì)算能力的增強(qiáng)，芯片和電路板的集成度越來(lái)越高，導(dǎo)致單位體積內(nèi)的功率密度由1970 年 代 的0.77 W ?cm?2，提 升 到 現(xiàn) 在 的31 W?cm?2［80］。因此，對(duì)電子產(chǎn)品的導(dǎo)熱、散熱性能提出了更高的要求，以保證產(chǎn)品對(duì)使用壽命和輕量化的雙重要求［81］。作為散熱器件，尤其是散熱金屬外殼產(chǎn)品，主要是采用以鋁硅合金為基礎(chǔ)的鑄造用鋁合金。鑄造用鋁硅合金具有鑄造性能好（流動(dòng)性好）、密度低、耐蝕耐熱等優(yōu)點(diǎn)，迅速占據(jù)了導(dǎo)熱鋁合金的產(chǎn)品市場(chǎng)［82］。但是，對(duì)于Si 含量在9%—12%的鋁硅合金，其組織中含有大量的粗大塊狀初晶硅和針片狀共晶硅，割裂了鋁基體并導(dǎo)致鋁硅合金的導(dǎo)熱率僅為96 W?m?1?K?1，并且析出相通常很脆而導(dǎo)致鋁硅合金的塑性惡化，嚴(yán)重制約了其導(dǎo)熱功能性的應(yīng)用［83-84］。香港生產(chǎn)力促進(jìn)局針對(duì)上述鋁硅合金中析出相對(duì)力學(xué)性能的惡化影響，提出了稀土合金化和人工時(shí)效雙重優(yōu)化，相關(guān)結(jié)果將在下面進(jìn)行介紹。

3.1 合金化對(duì)鋁硅合金導(dǎo)熱率影響

為了提升鑄造鋁硅合金的導(dǎo)熱性，以滿(mǎn)足高性能電子器件的穩(wěn)定運(yùn)行，目前常用的優(yōu)化方法為合金元素優(yōu)化。關(guān)于合金元素對(duì)鋁硅合金導(dǎo)熱性的影響，吳孟武等［85］和徐通等［86］系統(tǒng)介紹了Sn、Zn、Fe、Cu、Mn 等10 余種常見(jiàn)合金元素對(duì)純鋁的導(dǎo)熱性影響。結(jié)果表明，這些常見(jiàn)添加元素均會(huì)提升鋁合金的導(dǎo)熱率，但是Sb、Cd、Bi 等元素對(duì)導(dǎo)熱率影響最小，其次是常見(jiàn)的Si、Mg、Cu 等元素?？紤]到Sb、Cd、Bi 對(duì)環(huán)境和人體有害，因此將Mg 和Cu 元素作為常見(jiàn)鋁硅合金導(dǎo)熱性能的優(yōu)化元素。

Mg 元素是鑄造鋁硅合金的強(qiáng)化元素，能形成Mg2Si 強(qiáng)化相，經(jīng)過(guò)淬火時(shí)效處理后可高度彌散分布在鋁基體中而形成析出相的彌散強(qiáng)化效果［87］。但是過(guò)量的Mg2Si 析出相會(huì)形成粗大的脆性相，導(dǎo)致鋁硅合金的塑性大幅降低。因此，為了避免Mg2Si 相的脆化影響，Mg 含量通?？刂圃?.6%以下［88］。Cu 元素在Al 基體中的固溶度僅為0.2%，因此其強(qiáng)化方式也是析出Al2Cu 強(qiáng)化相，并且同時(shí)提升鋁硅合金的耐腐蝕性能。Zhang 等［89］系統(tǒng)研究了Cu 含量對(duì)鋁硅合金導(dǎo)熱率的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cu 含量從1% 提升到5% 時(shí)，鋁硅合金的導(dǎo)熱率從220 W?m?1?K?1降低至187 W?m?1?K?1，表明Cu 元素的過(guò)量加入，會(huì)增加材料的熱裂傾向，嚴(yán)重影響其作為導(dǎo)熱材料的力學(xué)穩(wěn)定性［90］。

此外，Ce、La、Sc、Sr 等稀土元素也可以有效改善鋁硅合金的微觀組織，使針狀共晶相轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀，降低脆化影響［91］。另外，稀土元素能與O、H 等元素生成稀土化合物形核點(diǎn)，細(xì)化晶粒進(jìn)而提升力學(xué)性能［92-93］。黃學(xué)鋒等［94］通過(guò)在6063 鋁合金中添加0.25%的Er 元素，使鋁硅合金的導(dǎo)熱率、抗拉強(qiáng)度及延伸率分別得到19%、14%和119%的提升。趙娟等［95］通過(guò)在Al-4Si 合金中添加0.5%的Er 稀土元素，先進(jìn)行500 ℃、1 h 的固溶處理，隨后進(jìn)行220 ℃人工時(shí)效，以充分促進(jìn)析出相的非勻質(zhì)形核及細(xì)化晶粒。研究結(jié)果表明，通過(guò)稀土元素合金化后，Al-4Si-Er 合金的導(dǎo)電率從52.92% IACS 提升到54.96% IACS，且抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率保持在103 MPa 和34.5%以上［95］。雖然鋁硅合金的合金化處理可以改善材料的強(qiáng)度和解決導(dǎo)熱性匹配問(wèn)題，但是隨著最近原材料，尤其是稀土和貴金屬價(jià)格的日益增長(zhǎng)，低合金化需求越發(fā)強(qiáng)烈。

3.2 熱處理對(duì)鋁硅合金導(dǎo)熱率影響

除了合金元素對(duì)鑄造鋁硅合金的導(dǎo)熱性有顯著影響外，合適的熱處理工藝也至關(guān)重要。這主要是在制備合金的過(guò)程中，淬火過(guò)程會(huì)形成過(guò)飽和固溶體，進(jìn)而引起晶格畸變，增加電子的散射路徑，導(dǎo)致導(dǎo)熱率降低［96］。通過(guò)對(duì)鑄造鋁硅合金進(jìn)行時(shí)效處理，可以促進(jìn)原子的擴(kuò)散，修復(fù)合金組織中的空位、位錯(cuò)等缺陷，并促進(jìn)固溶體的彌散析出，可以恢復(fù)材料的導(dǎo)熱性能［97］。熊歆晨［98］和姜文華［99］研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采用固溶處理的方法，將溫度提升到析出相（如Al3Fe、Al5FeSi、Mg2Si 和Al2Cu 等）的 溶 解 溫 度510±5 ℃并保溫7 h，再通過(guò)190±2 ℃的低溫時(shí)效處理，可以有效溶解鋁硅合金中的析出相，降低這些析出相對(duì)鋁硅合金導(dǎo)熱性能的惡化影響。

香港生產(chǎn)力促進(jìn)局的研究人員在前人研究的基礎(chǔ)上，在鑄造Al-12Si 合金中添加0.2%的Sc 元素來(lái)優(yōu)化材料的組織和性能，結(jié)果如圖8 所示。由于稀土元素的加入可以消除粗大的初生硅相，并有效細(xì)化條狀次生硅相，從而減弱了析出相對(duì)鋁硅合金基體的割裂和破壞，結(jié)果表明材料的導(dǎo)熱率有7%的提升，材料的抗拉強(qiáng)度及延伸率也分別有12.9%和97%的提升。在后續(xù)進(jìn)行220 ℃的時(shí)效處理后，材料的延伸率進(jìn)一步提升了21%。由此可見(jiàn)，微量稀土元素與人工時(shí)效處理的結(jié)合，可以極大提升鋁硅合金的導(dǎo)熱率和綜合力學(xué)性能。此外，Al-12Si-0.2Sc 合金在熔化狀態(tài)下流動(dòng)性好，可用于鑄造尤其是壓鑄產(chǎn)品的生產(chǎn)。另外，該Al-Si-Sc 合金的熔煉工藝簡(jiǎn)單、原材料成本低且易于獲得，適合小型企業(yè)的小批量、多品種散熱鋁合金產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。

圖8 金相組織觀察Figure 8 Microstructure observation of Al-12Si and Al-12Si-0.2Sc alloys

3.3 高導(dǎo)熱鋁硅合金在汽車(chē)部件的應(yīng)用

隨著汽車(chē)動(dòng)力和電子系統(tǒng)在能效轉(zhuǎn)換方面效率的提升，汽車(chē)部分部件需要采用高導(dǎo)熱性能的材料，以提升構(gòu)件在熱載荷下的損耗，并能及時(shí)將熱量導(dǎo)出，穩(wěn)定其工作狀態(tài)，提高壽命。尤其是最近大力發(fā)展的新能源汽車(chē)，其動(dòng)力系統(tǒng)要求材料有高效的散熱性能，以穩(wěn)定電機(jī)的工作環(huán)境，提升電機(jī)壽命并降低能耗［85］。

Qi 等［100］采用空冷攪拌法來(lái)制備Al-Si-Fe-Mg-Sr 半固態(tài)漿料，僅需25 s 就可以制備32 kg 的半固態(tài)漿料，該漿料含有大于40%體積分?jǐn)?shù)的球形α-Al 顆粒，隨后在進(jìn)行高壓半固態(tài)壓鑄制備的鋁硅合金材料，導(dǎo)熱率高達(dá)184 W?m?1?K?1，并且其抗拉強(qiáng)度及延伸率也高達(dá)264 MPa 和12.2%?？绽鋽嚢柚苽滗X硅半固態(tài)漿料及高壓半固態(tài)壓鑄工藝示意圖，如圖9 所 示。Gomes 等［101］針對(duì)汽車(chē)用電子 系 統(tǒng) 需 要高強(qiáng)度高導(dǎo)熱性能導(dǎo)熱器件的需求，開(kāi)發(fā)了含有Ag為0.1%的Al-5Si 合金材料，該Al-5Si-0.1Ag 鋁硅合金相比于Al-5Si 合金，其導(dǎo)熱、導(dǎo)電和抗拉強(qiáng)度均有提升。

圖9 空冷攪拌制備鋁硅半固態(tài)漿料及高壓半固態(tài)壓鑄工藝示意［100］Figure 9 The illustration of the air-cooled stirring rod process and high pressure die-casting process

高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性是未來(lái)汽車(chē)用散熱器件的核心要求，前者保障了散熱外殼部件能夠提供足夠強(qiáng)度，以保證內(nèi)部精密部件能夠在汽車(chē)發(fā)生碰撞或者震動(dòng)過(guò)程中的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而后者是能夠有效導(dǎo)出累積的熱量，防止內(nèi)部器件因熱積累而導(dǎo)致部件失效。由此可見(jiàn)，在汽車(chē)控制系統(tǒng)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的今天，具有高導(dǎo)熱和低熱膨脹綜合性能的壓鑄鋁硅合金，是提升芯片散熱效率的關(guān)鍵材料。采用該新材料制備的散熱器件，可有效降低芯片工作故障，以及電路板焊點(diǎn)松脫等嚴(yán)重問(wèn)題出現(xiàn)的頻率。

4 結(jié)語(yǔ)

碳達(dá)峰、碳中和是中國(guó)向全世界做出的承諾，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，減輕車(chē)身自重對(duì)緩解化石能源的消耗有著至關(guān)重要的作用。以汽車(chē)用金屬構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)，尤其是以新材料的研究為突破點(diǎn)，詳細(xì)介紹了鎂合金、鋁合金及其復(fù)合材料的合金設(shè)計(jì)、制備方法與熱處理工藝，并引出了小批量、多品種的新材料及其構(gòu)件的研發(fā)思路，以供參考借鑒。

結(jié)合輕合金及其復(fù)合材料的輕量化優(yōu)勢(shì)，以及在功能化（如散熱/導(dǎo)熱）方面的應(yīng)用，再考慮到新能源汽車(chē)對(duì)高效利用非化石類(lèi)燃料的需求，輕合金及其復(fù)合材料在車(chē)身零配件數(shù)量上的占比將在2025年增長(zhǎng)到30%以上。因此，鎂鋰合金、鋁-碳（化物）復(fù)合材料和新型壓鑄鋁硅合金的發(fā)展將越發(fā)重要。介紹了三類(lèi)輕量化材料的最新研究進(jìn)展，并指出阻礙應(yīng)用的瓶頸和挑戰(zhàn)。

（1）鎂鋰合金在汽車(chē)非關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件上具有突出的輕量化效果，但是鎂鋰合金的熔煉與軋制工藝需要進(jìn)一步改進(jìn)以避免氧化和元素?zé)龘p等問(wèn)題。

（2）對(duì)于鋁-碳（化物）復(fù)合材料，其具有耐磨、高導(dǎo)熱和低熱膨脹系數(shù)的優(yōu)勢(shì)，因而被寄希望應(yīng)用于動(dòng)力傳動(dòng)零件上，但是其制備工藝對(duì)燒結(jié)環(huán)境、溫度和成型模具的要求普遍較高，成本居高不下。

（3）鑄造鋁硅合金質(zhì)量輕、流動(dòng)性好，且耐腐蝕，適合通過(guò)鑄造、壓鑄等工藝制備形狀復(fù)雜的構(gòu)件，例如散熱器。但是現(xiàn)有鋁硅合金，其導(dǎo)熱性、熱膨脹性能及強(qiáng)韌性無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足。合金化處理雖可有效提升鋁硅合金的綜合性能，但是也導(dǎo)致了材料的成本提升。