金屬基復(fù)合材料(metal matrix composites，MMCs)是指以金屬、合金或金屬間化合物為基體，并且含有增強成分的一種復(fù)合材料。其中鋁基復(fù)合材料是應(yīng)用的熱點，它具有質(zhì)量輕、密度小、便于加工處理等優(yōu)點，是航天航空和軍事設(shè)備中常用的材料，現(xiàn)階段鋁基復(fù)合材料已經(jīng)成為最常用、最重要的一種金屬復(fù)合材料。

一、鋁基復(fù)合材料的分類

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015~100Lm之間的等軸晶粒)增強鋁基復(fù)合材料。

1. 纖維增強鋁基復(fù)合材料包括連續(xù)纖維增強、短纖維或晶須增強鋁基復(fù)合材料。

①連續(xù)纖維長度可達數(shù)百米，性能上有方向性，一般軸向的強度和彈性模量比較高。常用的連續(xù)纖維有碳纖維、硼纖維、SiC、和Al2O3纖維。

②短纖維由于一般采用擠壓鑄造法制備，工藝簡單、制備成本低，且改善了增強體與高溫金屬溶液的潤濕性問題。

③晶須是人工條件下生長出來的細小單晶。晶須增強的鋁基復(fù)合材料具有比強度和比模量高、熱穩(wěn)定性好以及抗疲勞能力強等優(yōu)良的性能。

硼酸鎂晶須用于增強鎂、鋁基金屬材料時，可提高彈性模量10%-50%

2. 顆粒增強金屬基復(fù)合材料

顆粒增強鋁基復(fù)合材料是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的金屬基復(fù)合材料，增強體顆粒直徑一般在0.1～1.0μm，粒子體積分數(shù)最高可以達到90%，主要有SiC、TiC、Al2O3和石墨等。而且生產(chǎn)成本低，易于批量生產(chǎn);復(fù)合材料各向同性，克服了制備過程中諸如纖維損傷、微觀組織不均勻等缺點，有效提高材料的耐磨、耐熱、強度等性能。

二、鋁基復(fù)合材料的性能

鋁基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)主要由基體、增強材料、中間相和界面組成，其性能取決于基體合金和增強物的特性、含量和分布等。

鋁基復(fù)合材料的組成

1.強度、模量與塑性：增強體的加入在提高鋁基復(fù)合材料的強度和模量的同時，降低了塑性。如SiC增強的鋁基復(fù)合材料，會隨著SiC體積分數(shù)的增大，強度和模量均有較大程度的提高，而塑性卻降低。

2.比剛度和抗磨損性能：顆粒增強的鋁基復(fù)合材料其比剛度(EPP)比一般鋁合金高約60%，并隨著加入顆粒尺寸的減小和數(shù)量的增多而變強。

3.疲勞與斷裂韌性：鋁基復(fù)合材料的疲勞強度和疲勞壽命一般比基體金屬高，這與剛度及強度的提高有關(guān)，而斷裂韌性卻下降。

4.熱穩(wěn)定性及抗大氣腐蝕能力：一般鋁合金的強度對溫度比較敏感，而鋁基復(fù)合材料的強度在高于300 e時才呈快速下降趨勢，300 e時短時拉伸強度仍有400MPa以上。由于基體材料為鋁及鋁合金，故抗大氣腐蝕能力好，但是在酸、堿及NaCl介質(zhì)中抗蝕性較差。

三、鋁基復(fù)合材料的制備

制備鋁基復(fù)合材料的方法主要分為三類固態(tài)制造法、液態(tài)制造法和原位合成法。

1. 固態(tài)制造法

固態(tài)制造法一般指的是在進行復(fù)合材料加工中，基體基本上處于固態(tài)，或者有少量液相的存在。固態(tài)法的制造溫度較低，基體與增強體的界面反應(yīng)不嚴重，主要包括粉末冶金、固態(tài)熱壓、熱等靜壓法和爆炸焊接法。

①粉末冶金法

粉末冶金法是制備鋁基復(fù)合材料最初采用的方法。通過超聲波或球磨等方法將金屬粉末與增強體混勻，然后經(jīng)冷壓固結(jié)得到復(fù)合坯件，最后通過熱壓燒結(jié)、壓力加工制得鋁基復(fù)合材料。

②固態(tài)熱壓法

固態(tài)熱壓法的工藝是在長時間的高溫和一定的塑性變形下，依靠金屬粉末之間和金屬粉末與增強體之間接觸部位原子間的相互擴散進行復(fù)合。

③熱等靜壓法

熱等靜壓也可歸結(jié)于固態(tài)熱壓法，熱等靜壓法用惰性氣體加壓，在熱等靜壓裝置中，工件在各個方向上受到均勻壓力作用而成型。工藝的基本過程為：在高壓容器內(nèi)安放加熱設(shè)備，將金屬基體與增強體按一定比例混合排布放入金屬包套中;抽氣密封后裝入熱等靜壓裝置中加熱、加壓，得到金屬基復(fù)合材料。

2. 液態(tài)制造法

液態(tài)制造法指的是熔融狀態(tài)下的金屬基體與固態(tài)的增強體進行復(fù)合制備復(fù)合材料的方法。包括攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸滲、共噴沉積法和熱噴涂法。

①攪拌鑄造法

將顆粒或短纖維加入到基體金屬的熔體中，通過攪拌使增強體分散均勻，然后澆鑄成鑄錠或所需零件的方法稱為攪拌鑄造法。

②液態(tài)金屬浸滲

液態(tài)金屬浸滲是在抽真空或者加壓的狀態(tài)下，使液態(tài)金屬滲入先前用增強體做的預(yù)制件中，待其凝固后得到金屬基復(fù)合材料的一種方法。該方法要求預(yù)制件有一定強度，具有一定抗變形能力，防止熔體沖散預(yù)制件造成增強體分布不均勻。

③共噴沉積法

在基體合金霧化的同時，加入增強體粉末，使二者共同沉積在收集器上，得到復(fù)合材料。該方法增強體與基體熔液接觸時間短，二者反應(yīng)易于控制，冷卻速度大，所得到的鋁基復(fù)合材料基體金屬的晶粒細小且均勻，無宏觀偏析。

④熱噴涂法

熱噴涂法一般包括等離子噴涂和氧-乙炔焰噴涂兩種。金屬基復(fù)合材料主要采用的是等離子噴涂，它是利用微波、燈絲、射頻等激勵等離子氣體產(chǎn)生等離子弧的高溫將基體熔化后噴射到基底上，冷卻并沉積下來的一種復(fù)合方法。

3. 原位合成法

原位合成法指的是在復(fù)合材料制備過程中，增強體不是預(yù)先放置好的而是在基體內(nèi)部就地生成和生長的方法。原位合成法主要包括定向凝固法和反應(yīng)自生成法。

①定向凝固法

把某種共晶成分的合金原料在真空或者惰性氣氛中、通過感應(yīng)加熱融化后，控制冷卻方向，進行定向凝固。在這個反應(yīng)過程中，析出的共晶相沿著凝固方向整齊排列，其中連續(xù)相為基體，條狀或片狀的分散相為增強體。這種方法得到的復(fù)合材料稱為共晶復(fù)合材料。

②反應(yīng)自生成法

原位復(fù)合是指在液態(tài)或固態(tài)鋁或鋁合金基體中，通過元素之間或元素、化合物間的化學(xué)反應(yīng)，在鋁基體內(nèi)原位生成一種或幾種硬度高、彈性模量大的陶瓷增強相，有效強化了鋁基體。

四、鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用

1.航空航天

鋁基復(fù)合材料輕質(zhì)、高強度等優(yōu)點在航空航天領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用，提升了航空航天領(lǐng)域的技術(shù)水平。美國NASA的Lewis研究中心用B/AL復(fù)合材料制造的發(fā)動機風(fēng)扇葉片具有質(zhì)量輕，剛性高，工作時的離心力小，葉尖速度高等特點，改善了發(fā)動機的氣動效率，在F-100發(fā)動機(用于F-15和F-16戰(zhàn)斗機)上通過了試驗。DWA公司則用SiC顆粒增強6092鋁基復(fù)合材料代替鋁合金，大規(guī)模用于F16戰(zhàn)斗機的垂直尾翼，提高壽命17倍，并降低成本33%。

2.汽車工業(yè)

鋁基復(fù)合材料在汽車工業(yè)的研究起步最早。上世紀 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)、汽車連桿等汽車零部件。美國的Duralcan 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，噪音明顯減小，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。

3.電子和光學(xué)儀器

鋁基復(fù)合材料(尤其是SiC增強鋁基復(fù)合材料)具有熱膨脹系數(shù)小、密度低、導(dǎo)熱性能好等特點，在精密儀器和光學(xué)儀器的應(yīng)用研究方面，被用于制造望遠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。

4. 體育運動

鋁基復(fù)合材料可以代替木材及金屬材料來制作網(wǎng)球拍、釣魚竿、高爾夫球桿和滑雪板等，廣泛應(yīng)用于體育運動領(lǐng)域。用SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料制作的自行車鏈齒輪重量輕、剛度高、不易撓曲變形，性能優(yōu)于鋁合金鏈齒輪。