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(qiáng)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(diǎn)，它具有質(zhì)量輕、密度小、便于加工處理等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)體，鋁基復(fù)合材料分為纖維增強(qiáng)和顆粒(直徑在015~100Lm之間的等軸晶粒)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

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

①連續(xù)纖維長度可達(dá)數(shù)百米，性能上有方向性，一般軸向的強(qiáng)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(qiáng)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(xì)小單晶。晶須增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、熱穩(wěn)定性好以及抗疲勞能力強(qiáng)等優(yōu)良的性能。

硼酸鎂晶須用于增強(qiáng)鎂、鋁基金屬材料時，可提高彈性模量10%-50%

2. 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

顆粒增強(qiáng)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(qiáng)體顆粒直徑一般在0.1～1.0μm，粒子體積分?jǐn)?shù)最高可以達(dá)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(diǎn)，有效提高材料的耐磨、耐熱、強(qiáng)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(qiáng)材料、中間相和界面組成，其性能取決于基體合金和增強(qiáng)物的特性、含量和分布等。

鋁基復(fù)合材料的組成

1.強(qiáng)度、模量與塑性：增強(qiáng)體的加入在提高鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量的同時，降低了塑性。如SiC增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，會隨著SiC體積分?jǐn)?shù)的增大，強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)。

3.疲勞與斷裂韌性：鋁基復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命一般比基體金屬高，這與剛度及強(qiáng)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(qiáng)度對溫度比較敏感，而鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度在高于300 e時才呈快速下降趨勢，300 e時短時拉伸強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)體的界面反應(yīng)不嚴(yán)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(qiáng)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(qiáng)體之間接觸部位原子間的相互擴(kuò)散進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)體進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度，具有一定抗變形能力，防止熔體沖散預(yù)制件造成增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(xì)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)相，有效強(qiáng)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(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(diǎn)，改善了發(fā)動機(jī)的氣動效率，在F-100發(fā)動機(jī)(用于F-15和F-16戰(zhàn)斗機(jī))上通過了試驗(yàn)。DWA公司則用SiC顆粒增強(qiáng)6092鋁基復(fù)合材料代替鋁合金，大規(guī)模用于F16戰(zhàn)斗機(jī)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(jì) 80 年代, 日本豐田公司就已經(jīng)用硅酸鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，成功地制造了汽車發(fā)動機(jī)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(qiáng)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(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造了汽車發(fā)動機(jī)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(qiáng)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(diǎn)，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(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。

4. 體育運(yùn)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(yùn)動領(lǐng)域。用SiC顆粒增強(qiáng)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。