鋁基復(fù)合材料研究進(jìn)展及其航空航天應(yīng)用
來(lái)源: 聚展網(wǎng)
2024-04-25 17:20:50
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玻璃資訊
以鋁及其合金作為基體的鋁基復(fù)合材料不僅繼承了鋁合金選擇范圍廣、易于加工制備及可熱處理等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用了不同類型增強(qiáng)體的優(yōu)勢(shì)，具有良好的綜合力學(xué)、物理及化學(xué)等性能。 高性能的輕質(zhì)高強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的出現(xiàn)，為滿足航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求提供了新途徑，逐漸替代傳統(tǒng)鋁合金及其他基體類型的復(fù)合材料，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 基于此，本文介紹了鋁基復(fù)合材料的基本分類，綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外鋁基復(fù)合材料制備方法的主要進(jìn)展，總結(jié)分析了鋁基復(fù)合材料的物理、化學(xué)、力學(xué)、摩擦等性能，概述了鋁基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況，最后展望了鋁基復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用，以期對(duì)促進(jìn)鋁基復(fù)合材料的發(fā)展及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用有所幫助。
曹 遴 1 ，陳 彪 1，2 ，賈振東 1 ，高江霖 1 ，李金山 1，2
(1. 西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2. 西北工業(yè)大學(xué)重慶科創(chuàng)中心，重慶 401135)
作為地殼中含量最豐富的金屬元素，鋁(Al)及 其合金因密度低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)成為交通運(yùn)輸、兵器武裝等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。 航空航天的“門檻”高，對(duì)基礎(chǔ)材料提出了嚴(yán)苛的性能要求，鋁及其合金因具有輕質(zhì)、耐腐蝕及良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電等諸多優(yōu)異性能，成為航空航天領(lǐng)域材料的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于飛行器天線、蒙皮、支撐等重要零部件 [1-3] 。隨著現(xiàn)代服役條件對(duì)鋁材料強(qiáng)度、模量、 高溫、 耐磨及腐蝕等綜合性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的鋁合金材料難以滿足更高的性能需求。以鋁及其合金 作為基體的 鋁基 復(fù) 合 材 料(aluminummatrix composites, AMCs)不僅承了 Al 合金選擇范圍廣、易于加工制備及熱處理性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且兼具良好的綜合力學(xué)、物理化學(xué)性能，得到了廣泛。 高性能的輕質(zhì)高強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的出現(xiàn)，為滿足航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求提供了新途徑，逐漸替代了傳統(tǒng)的鋁及其他類型的復(fù)合材料，是航空航天材料中不可或缺的組成部分。 根據(jù)增強(qiáng)體的不同，可以將鋁基復(fù)合材料分為 纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及新型鋁基復(fù)合材料等。 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的快速發(fā)展是自 20 世紀(jì) 80年代開(kāi)始，以美國(guó)為代表的國(guó)家逐漸將復(fù)合材料應(yīng)用于空天領(lǐng)域，僅在 1980 年，估算美國(guó)在航空及宇航領(lǐng)域應(yīng)用的硼纖維高達(dá) 23 000 kg。 纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能，主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，作為航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站等的結(jié)構(gòu)材料。 從纖維尺寸上可將纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料分為連續(xù)纖維增強(qiáng)和非連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其中連續(xù)纖維的長(zhǎng)度可以貫穿整個(gè)金屬基體，而非連續(xù)纖維的長(zhǎng)度一般為數(shù)毫米。 連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的各向異性，非連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中纖維在基體內(nèi)取向隨機(jī)分布，復(fù)合材料表現(xiàn)出各項(xiàng)同性的特點(diǎn)。 目前應(yīng)用于鋁基體中的纖維增強(qiáng)體代表有硼纖維(B f )、碳纖維(C f )、碳化硅纖維(SiC f )和氧化鋁纖維(Al 2 O 3f )等。 顆粒增強(qiáng)體具有高比強(qiáng)度、高比模量、低密度 及良好的高溫性能，并且具備耐磨損、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)低及導(dǎo)熱性良好等諸多優(yōu)勢(shì)，代表有碳化硅(SiC p )、氧化鋁(Al 2 O 3p )、碳化硼(B 4 C p) 和硼化鈦(TiB 2p )顆粒等。 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被譽(yù)為 21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的先進(jìn)航空材料之一，按照顆粒尺寸可以分為微米顆粒增強(qiáng)和納米顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，其中添加納米顆粒的鋁基復(fù)合材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。 目前顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料也已經(jīng)在飛機(jī)內(nèi)部支架、波音 777 客機(jī)風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片等部位得到應(yīng)用。 此外還有晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，得益于晶須 的高強(qiáng)度、耐磨、耐熱、絕緣、防腐、導(dǎo)電、吸波、減振等性能， 晶須在鋁基復(fù)合材料中得到了廣泛應(yīng)用。常用的增強(qiáng)體晶須主要包括硼酸鋁 (Al 18 B 4 O 33w )、硼酸鎂(Mg 2 B 2 O 5w )、碳化硅(SiC w )、氧化鋁(Al 2 O 3w )等。 早在 60 年代美國(guó)就開(kāi)始生產(chǎn) SiC w ， 并制造其復(fù)合材料，隨著晶須生產(chǎn)工藝不斷改進(jìn)，工藝成本逐漸降低，使得晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料得到了廣泛研究，并且在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用 [4] 。 近年來(lái)隨著一些新的增強(qiáng)體被發(fā)現(xiàn)，例如碳納米 管(carbon nanotubes, CNTs)、石墨烯(graphene nan-oplatelets, GNPs) 及新型過(guò)渡金屬碳/氮化物二維納米層狀材料(XMene)等，這些增強(qiáng)體制備的鋁基復(fù)合材料呈現(xiàn)出了優(yōu)異的綜合性能， 增強(qiáng)相的增強(qiáng)效果明顯， 可以在較低含量時(shí)獲得優(yōu)異的室溫及高溫性能， 例如碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已在火箭結(jié)構(gòu)件及艙體部位嘗試應(yīng)用， 新型鋁基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景 [4] 。 為貫徹落實(shí)國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要和《中國(guó)制 造 2025》，工信部聯(lián)合發(fā)展改革委、科技部、財(cái)政部研究編制了《新材料發(fā)展指南》，并在其中明確指出“航空航天等重點(diǎn)領(lǐng)域急需的新材料”。 而鋁基復(fù)合材料作為鋁合金在航天航空領(lǐng)域中的突破方向，具有重要的研究意義， 因此發(fā)展高性能鋁基復(fù)合材料刻不容緩。 本綜述將對(duì)目前發(fā)展的鋁基復(fù)合材料的制備方法、 性能及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用等方面進(jìn)行總結(jié)介紹， 進(jìn)一步展望了未來(lái)鋁基復(fù)合材料的發(fā)展。 目前制備鋁基復(fù)合材料的方法根據(jù)成形時(shí)材料 的狀態(tài)主要分為液態(tài)、半固態(tài)及固態(tài)成形 3 類，其中液態(tài)成形方法主要包括攪拌鑄造法、壓力浸滲法、選區(qū)激光熔化法等； 固態(tài)成形的主要方法有攪拌摩擦法和粉末冶金法等；其他方法包括半固態(tài)攪拌法、原位合成法等。 下面將分別對(duì)制備鋁基復(fù)合材料的不同方法及研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。 攪拌鑄造法由傳統(tǒng)鑄造法改進(jìn)而來(lái)， 具備傳統(tǒng) 鑄造法價(jià)格低廉、設(shè)備簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、適用范圍廣和加工大型部件等優(yōu)勢(shì)。相比于傳統(tǒng)鑄造，攪拌鑄造法在鑄造過(guò)程中引入攪拌器對(duì)金屬熔體和增強(qiáng)體的混合物進(jìn)行攪拌， 能一定程度上緩解傳統(tǒng)鑄造中增強(qiáng)體團(tuán)聚的問(wèn)題。因此，攪拌鑄造法是目前工業(yè)化生產(chǎn)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要制備方式。 液態(tài)攪拌的金屬基體加熱至液相線溫度之上， 充分?jǐn)嚢柚笾苯訚茶T， 典型的攪拌鑄造方法制備的鋁基復(fù)合材料組織如圖 1 所示 [5] 。 雖然攪拌鑄造法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，但是攪拌鑄造法在制備鋁基復(fù)合材料方面仍要注意： ①增強(qiáng)體的均勻分布。通常增強(qiáng)體與金屬熔體之間潤(rùn)濕性差，且存在密度差異， 所以在攪拌過(guò)程中增強(qiáng)體難以均勻分布在熔體中，易產(chǎn)生團(tuán)聚，因此如何獲得增強(qiáng)體均勻分布的鋁基復(fù)合材料是攪拌鑄造法的關(guān)鍵。②由于鑄造法的溫度較高，增強(qiáng)體和基體熔體之間進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的緊密接觸，這容易引起金屬基體與增強(qiáng)體之間的過(guò)度界面反應(yīng)。 例如在 SiC/Al、CNTs/Al、GNPs/Al 等復(fù)合材料體系中，增強(qiáng)體會(huì)與 Al 發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)形成 Al 4 C 3 ， 而 Al 4 C 3 是一種脆性相，影響復(fù)合材料的性能。 此外，由于攪拌鑄造法需要對(duì)熔體進(jìn)行攪動(dòng)而形成旋渦，在非真空條件下容易卷入氣體， 同時(shí)增強(qiáng)體的加入會(huì)降低熔體的流動(dòng)性，導(dǎo)致氣體不易逸出，最終形成孔隙。 孔隙直接影響著復(fù)合材料的性能，所以如何降低復(fù)合材料中的孔隙率是攪拌鑄造法需要解決的問(wèn)題之一。 盡管攪拌鑄造法高效、廉價(jià)、工藝簡(jiǎn)單并且能 制備形狀復(fù)雜的大型構(gòu)件，但某些領(lǐng)域需要大體積分?jǐn)?shù)且分散均勻的鋁基復(fù)合材料，并且部分材料要求增強(qiáng)體為各種纖維， 這是攪拌鑄造法無(wú)法滿足的，可以考慮通過(guò)浸滲法制備， 浸滲法主要有壓力浸滲、氣體壓力浸滲和熔融浸滲等。 壓力浸滲法的過(guò)程示意圖如圖 2 所示 [6] ，先將增強(qiáng)體制備成預(yù)制件，然后將熔融金屬引入預(yù)制件并對(duì)其施加壓力使得熔融金屬填充預(yù)制件所有開(kāi)放孔隙。 Yang 等 [7] 采用壓力浸滲的方法制備了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)界面反應(yīng)小且石墨烯分散較為均勻。 當(dāng)石墨烯含量為 0.54%時(shí)， 復(fù)合材料的屈服和抗拉強(qiáng)度分別增加了 116%和 45%，進(jìn)一步引入擠壓過(guò)程，石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的屈服和抗拉提升量達(dá)到 228%和 93%。 Narciso 等 [8] 采用壓力浸滲法制備了石墨增強(qiáng)的 Al-12Si 復(fù)合材料， 力學(xué)性能提升的同時(shí)熱膨脹系數(shù)明顯降低，滿足活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。 選區(qū)激光熔化(selective laser melting, SLM)是一 種針對(duì)金屬粉末的新型成形方法，具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、效率高等優(yōu)勢(shì)，SLM 過(guò)程示意圖如圖 3 所示 [9] 。 采用SLM 打印制備鋁合金等金屬與傳統(tǒng)粉末冶金、熔鑄 方 法 相 比 具 有 如 下 特 征 ：①瞬時(shí)溫度高，可達(dá)5 000 ℃以上 [10] ，遠(yuǎn)高于金屬與陶瓷的熔點(diǎn)，加速合金元素溶解；②加熱與冷卻速率快，速率高達(dá) 10 3 ~10 6 ℃/s [11] ，且高溫駐留時(shí)間短，有效抑制凝固過(guò)程中析出相長(zhǎng)大； ③高溫度梯度造成強(qiáng)烈的馬蘭戈尼對(duì)流現(xiàn)象，使得局部熔體流動(dòng)速度～10 7 μm/s [12] ，促進(jìn)合金原子與增強(qiáng)體顆粒的分散。 因此，SLM 鋁合金組織細(xì)化、成分均勻，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能 [13] 。 但由于 Al 的激光反射率高， 過(guò)低的能量輸入易導(dǎo)致未熔合產(chǎn)生，而過(guò)高的能量輸入導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定從而產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。 因此鋁及其復(fù)合材料在激光增材制造過(guò)程中加工工藝窗口的確定十分重要。 對(duì)于 2 系、6 系及 7 系鋁合金，增材制造過(guò)程容易出現(xiàn)裂紋等缺陷，可通過(guò)引入增強(qiáng)體的方式調(diào)控晶粒形貌，增加異質(zhì)形核位點(diǎn)，進(jìn)而降低缺陷含量，顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。 Li 等 [14] 通過(guò)氣霧化制備了原位納米 TiB 2 修飾的 AlSi10Mg 粉末， 復(fù)合材料的粉末激光吸收率明顯高于純合金粉末。 隨后采用 SLM 制備了高致密度無(wú)裂紋的納米 TiB 2 增強(qiáng)的 AlSi10Mg 復(fù)合材料，強(qiáng)度達(dá) 530 MPa，塑性15.5%，硬度 191 HV 0.3 ， 性能超過(guò)了大多數(shù)傳統(tǒng)的鋁合金。Jiang 等 [15] 通過(guò)溶液超聲將 CNTs 分散至 AlSi10Mg粉末表面， 進(jìn)一步通過(guò) SLM 成形制備 CNTs 增強(qiáng)AlSi10Mg 復(fù)合材料塊體，其致密度達(dá) 98.53%，硬度143.33 HV，強(qiáng)度達(dá)到 499 MPa。 攪拌摩擦加工( friction stir processing, FSP) 于 1999 年由 Mishra 在攪拌摩擦焊接的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)[16]，是一種特殊的表面復(fù)合材料制備技術(shù)。 傳統(tǒng)的表面復(fù)合材料制造技術(shù)涉及高溫液相處理，如激光熔體處理和等離子體噴涂，這可能導(dǎo)致復(fù)合材料性能惡化，主要是由于基體與增強(qiáng)體間的界面反應(yīng)無(wú)法控制。 此外，為了獲得理想的表面凝固后組織，還需要精確控制加工參數(shù)，這使得表面復(fù)合材料加工工藝成本昂貴且時(shí)間長(zhǎng)。 而攪拌摩擦法是通過(guò)攪拌摩擦頭與基板的高速旋轉(zhuǎn)使基板在摩擦頭附近的區(qū)域熔化，并在摩擦頭高速旋轉(zhuǎn)作用下對(duì)熔池進(jìn)行高速攪拌，從而制備復(fù)合材料的一種方法。圖 4(a)為采用攪拌摩擦方式制備的 CNTs/Al 復(fù)合材料，對(duì)CNTs 區(qū)域及其周圍區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。 攪拌頭通常由針部(pin)和軸肩(shoulder)組成，通過(guò)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)將 CNTs 均勻分散至基體內(nèi)， 同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)晶粒的細(xì)化，從而獲得良好的力學(xué)性能 [17] 。 此外攪拌摩擦系統(tǒng)也可由立銑床改造而來(lái)，如圖 4(b)所示 [18] ，在摩擦頭的攪拌擠壓作用下， 復(fù)合材料產(chǎn)生熱和劇烈變形， 從而獲得高性能增強(qiáng)體均勻分散的鋁基復(fù)合材料。因此攪拌摩擦加工在制備表面復(fù)合材料時(shí)，很少或沒(méi)有界面反應(yīng)。 該方法可以在不影響材料本體性能的情況下提高材料的耐磨性、硬度、強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、耐腐蝕性、疲勞壽命和成形性等性能。 趙霞等 [19] 利用攪拌摩擦成形的方法制備了 CNTs/Al 復(fù)合材料，其選用的基體為工業(yè)純鋁 1060 板材，攪拌頭轉(zhuǎn)速為 950 r/min， 移動(dòng)速度為 30 mm/min， 偏轉(zhuǎn)角為2°，試驗(yàn)過(guò)程均采用 5 次 FSP 攪拌混合。 研究表明，CNTs 含量為 0、1.6%、3.5%、4.5%、5.5%、7.0%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，拉伸強(qiáng)度依次為 91.2、121.9、133.1、155.1、178.0、201.0 MPa，隨著 CNTs 含量增加，復(fù)合材料的強(qiáng)度提高，其中當(dāng) CNTs 含量為 7.0%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，拉伸強(qiáng)度是 FSP 后純鋁的 2.2 倍。 同時(shí)通過(guò)顯微組織表征發(fā)現(xiàn)， 在攪拌摩擦中心區(qū)域晶粒細(xì)小，CNTs的分散較為均勻，CNTs 和基體的界面結(jié)合情況良好。 粉末冶金是固態(tài)法制備鋁基復(fù)合材料中應(yīng)用最 廣泛的方法， 該方法是指以純鋁或鋁合金粉末顆粒為原料， 采用相關(guān)工藝使粉末固結(jié)成特定形狀的一種成形工藝，可以有效避免合金成分偏析，同時(shí)可以保持粉末中原始晶粒尺寸， 從而獲得優(yōu)良的力學(xué)性能 [20] 。 典型的粉末冶金過(guò)程如圖 5 所示，包括了球磨制備鋁基復(fù)合材料粉體和后續(xù)的燒結(jié)擠壓過(guò)程 [21] 。 除傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)、微波燒結(jié)，等離子燒結(jié)也是制備鋁基復(fù)合材料常用的制備方法 [22-23] ，同時(shí)燒結(jié)過(guò)后的大塑性變形過(guò)程可以進(jìn)一步提高鋁基復(fù)合材料的性能。 有學(xué)者研究了擠壓成形對(duì)一次顆粒邊界的消除作用， 發(fā)現(xiàn)在燒結(jié)后的材料中存在由氧化膜和孔隙等形成的一次顆粒邊界， 而在經(jīng)過(guò)擠壓成形后氧化膜被打碎，形成少量的氧化鋁顆粒，起到類似增強(qiáng)相的作用。此外熱擠壓對(duì)氧化膜的破碎效果，同時(shí)熱擠壓過(guò)程中發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶會(huì)使 Al 晶界在遷移過(guò)程中將 SiC 顆粒吞并至晶粒內(nèi)部， 實(shí)現(xiàn) SiC 顆粒的晶內(nèi)分散，進(jìn)一步促進(jìn) SiC 顆粒的彌散分布，提高強(qiáng)化效果 [25] 。 Saboori 等 [24] 將快速凝固技術(shù)與粉末冶金工藝相結(jié)合，通過(guò)將合金熔體霧化成金屬粉末，再將粉末與增強(qiáng)體混合、壓制、燒結(jié)、擠壓成形，可制備出性能優(yōu)良的晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 Zhang 等 [22] 研究了 SiC w 體積分?jǐn)?shù)對(duì)鋁基復(fù)合材料組織性能的影響，成形工藝為濕磨 SiC w 、混合濕磨 SiC w 和合金粉、球磨混合粉、熱等靜壓(HIP)、熱壓、固溶時(shí)效處理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著 HIP 熱壓 SiC w /Al 復(fù)合材料中 SiC w 含量的增加， 復(fù)合材料中顆粒的流動(dòng)性增加，SiC w 的團(tuán)聚和孔隙率導(dǎo)致界面結(jié)合力減弱，這將極大程度上削弱復(fù)合材料的性能， 最終研究發(fā)現(xiàn)，含有 2.5%體積分?jǐn)?shù) SiC w 的鋁基復(fù)合材料性能最優(yōu)。 除了液態(tài)和固態(tài)成形方法，制備鋁基復(fù)合材料 還有一些其他的方法，例如半固態(tài)鑄造、原位合成法等。 半固態(tài)成形攪拌過(guò)程中溫度保持在液固兩相 區(qū)，采用機(jī)械攪拌使增強(qiáng)體分布均勻；相比于液態(tài)攪拌，半固態(tài)攪拌由于溫度低，基體溫度保持在固液溫度區(qū)間之內(nèi)，熔體粘度大，相對(duì)于液態(tài)攪拌可以保持熔體的靜止，不會(huì)因?yàn)槊芏炔町惗鴮?dǎo)致增強(qiáng)體的偏析，所以能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體的均勻分布 [25- 26] 。 但該方法僅限于結(jié)晶溫度區(qū)間較大的鋁合金基體，且對(duì)攪拌溫度控制嚴(yán)格。 Zhang 等 [25] 采用半固態(tài)攪拌結(jié)合熱擠壓的方法制備了納米 SiC p 增強(qiáng) 2014 鋁基復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)加入僅 0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的 SiC p 可使復(fù)合材料在不損失伸長(zhǎng)率的情況下強(qiáng)度得到顯著提高。 原位反應(yīng)合成是指通過(guò)熔融金屬和增強(qiáng)成分 之間的放熱反應(yīng)形成分散增強(qiáng)相的過(guò)程。 由于它們之間的化學(xué)反應(yīng)，最終復(fù)合材料的組織均勻且增強(qiáng)體與基體的界面結(jié)合強(qiáng)。 但該方法對(duì)原材料成分有特殊 要 求 ， 使 其 適 用 的 材 料 受 到 了 一 定 的 限 制 。Ramesh 等 [27] 使用反應(yīng)原位合成制備 TiB 2 /Al6061 多金屬?gòu)?fù)合材料，并研究其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為。 TiB 2 顆粒在鋁基體上的分布均勻， 同時(shí)由于晶粒細(xì)化，晶粒尺寸減小， 復(fù)合材料具有良好的強(qiáng)塑性匹配。Du 等 [12] 利用 Ti 與 B 4 C 的化學(xué)反應(yīng)在 TC18 合金中原位生成了 TiB 和 TiC 增強(qiáng)顆粒。 增強(qiáng)顆粒的引入促進(jìn)了 TC18 基體中 α 相的球化過(guò)程， 改善了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)均勻性， 使復(fù)合材料的強(qiáng)塑性得到了整體提升。 鋁基復(fù)合材料的性能取決于基體合金和增強(qiáng)體 的特性、含量、分布等，與基體合金相比，鋁基復(fù)合材料具有更多優(yōu)異的性能，例如良好的力學(xué)性能、摩擦性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能等。 本文將主要從鋁基復(fù)合材料的物理(導(dǎo)電、導(dǎo)熱)、化學(xué)(腐蝕)、力學(xué)和摩擦性能 4 個(gè)方面進(jìn)行介紹。 在物理性能方面， 鋁基復(fù)合材料由于具有出色 的電學(xué)、熱學(xué)特性，使其在導(dǎo)線、半導(dǎo)體、電子封裝等領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用， 是未來(lái)航空航天工業(yè)以及先進(jìn)武器系統(tǒng)中不可或缺的優(yōu)質(zhì)輕金屬導(dǎo)電、 導(dǎo)熱復(fù)合材料。目前在導(dǎo)電材料方面，學(xué)者們都致力于提高輸電導(dǎo)線的傳輸效率和性能， 以此降低導(dǎo)線在使用過(guò)程中溫度的過(guò)度升高， 導(dǎo)線溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致一次或多次蠕變損傷、疲勞應(yīng)力或老化等問(wèn)題，這些問(wèn)題大多都可以通過(guò)研發(fā)高性能導(dǎo)線材料得到更好地解決 [28] 。 鋁及鋁合金由于具有銅所缺乏的大多性能成為高性能導(dǎo)線的首選材料。 但由于鋁及鋁合金缺乏足夠的強(qiáng)度、抗蠕變性、抗疲勞性和熱穩(wěn)定性來(lái)改善輸電線路所面臨的挑戰(zhàn)， 因此鋁基復(fù)合材料逐漸得到了深入的研究 [28] 。 由于碳納米管和石墨烯具有優(yōu)異的熱、電、機(jī)械 等性能使其成為了鋁基復(fù)合材料中優(yōu)異的增強(qiáng)體，用碳納米管或石墨烯增強(qiáng)的鋁及鋁合金不僅可以提高強(qiáng)度，還可以提高摩擦學(xué)、腐蝕、熱學(xué)和電學(xué)性能。因納米碳增強(qiáng)體與鋁及鋁合金基體熱膨脹系數(shù)(co·efficient of thermal expansion, CTE)差異極大，故在碳納米管/石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制造過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生很大的熱失配現(xiàn)象， 導(dǎo)致在納米碳與鋁基體的界面處引起高密度幾何必須位錯(cuò)堆積， 從而引起復(fù)合材料的加工硬化。Ujah 等 [29] 研究表明，當(dāng)在鋁合金中添加 4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的碳納米管時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)(COF)提高了 52%，磨損量減少了 23%，熱導(dǎo)率提高了 35%，電導(dǎo)率也有 2%的提高。 Cao 等 [30] 以 CVD 生長(zhǎng)的石墨烯膜和鋁箔為原材料， 通過(guò)將完整石墨烯膜轉(zhuǎn)移至鋁箔表面，采用壓力燒結(jié)工藝，制備了石墨烯連續(xù)分布的疊層石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 并采用導(dǎo)電探針原子力顯微鏡(CP-AFM)分析了復(fù)合材料的微觀導(dǎo)電性能，表征示意圖和測(cè)試圖如圖 6 所示 [31] 。 在該疊層材料中，石墨烯處的最大電流(29.3 pA)是附近鋁基體電流的 73 倍，說(shuō)明該復(fù)合材料中石墨烯的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)高于鋁基體。 計(jì)算表明，當(dāng)石墨烯含量為 0.15%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)(單層石墨烯 0.34 nm, 鋁箔厚度 500 nm)， 采用該工藝制備的石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料導(dǎo)電性能將比純鋁基體材料提高約 10%。 綜上所述，碳納米管/石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料體系是一種潛在的導(dǎo)體材料，有望在增加電網(wǎng)功率方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。 在現(xiàn)代電子工業(yè)中， 電子元件的小型化及大功 率微芯片的出現(xiàn)，研發(fā)高熱傳遞效率和低熱膨脹系數(shù)的材料成為現(xiàn)代電子工業(yè)的主要目標(biāo)。 定制高導(dǎo)熱率和低熱膨脹系數(shù)的材料可以通過(guò)兩種或多種材料性能的有機(jī)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。 例如用碳纖維、AlN 或SiC、金剛石、BeO 等低熱膨脹系數(shù)的增強(qiáng)體增強(qiáng)鋁或銅等高導(dǎo)熱金屬。 另外復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)不能過(guò)高，從而實(shí)現(xiàn)使用過(guò)程中最小的熱應(yīng)力，復(fù)合材料的熱性能主要由增強(qiáng)體、基體及其之間的界面特性決定。 對(duì)于復(fù)合材料， 熱或電傳輸受費(fèi)米能級(jí)電子存 在的影響 [32] 。 Tatar 等 [33] 研究了顆粒增強(qiáng)鋁合金(6061)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和電阻率之間的關(guān)系，所制備的復(fù)合材料采用了粉末冶金工藝，他們通過(guò)改變顆粒尺寸(15、30 和 45 μm)、體積分?jǐn)?shù)(15%、30%和 45%)來(lái)表征樣品，并觀察到具有較小顆粒的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率更穩(wěn)定。 這是由于存在密集的可用電子，因此可用于傳輸?shù)膶?dǎo)電路徑更厚。 Karthikeyan 等 [34] 提出了顆粒的體積分?jǐn)?shù)對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響，他們采用攪拌鑄造法比較了 7075 鋁合金和 SiC p 增強(qiáng) 7075鋁合金復(fù)合材料的熱物理性能，其中 SiC p 的體積分?jǐn)?shù)分別為 10%、15%和 20%。 研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的尺寸變化隨溫度升高呈線性變化，具有 20%(體積分?jǐn)?shù))的 SiC p 的 MMC 在 100～400 ℃的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出更穩(wěn)定的尺寸。 圖 7 展示了不同體積分?jǐn)?shù)的Al/SiC 復(fù)合材料體系的熱膨脹系數(shù)變化 [35] ，未增強(qiáng)的Al-Si 合金在 200~300 ℃的溫度范圍內(nèi)由于 Si 的析出加速了膨脹，但由于 Si 的溶解而進(jìn)一步下降。 研究指出， 密集堆積的 SiC 顆粒的熱膨脹系數(shù)不僅取決于增強(qiáng)體，還取決于基體合金，與無(wú)硅的基體合金相比， 互連 SiC-Si 網(wǎng)絡(luò)的形成導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)低，Nam 等 [36] 的研究也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果。 在特定范圍內(nèi)， 可以通過(guò)選擇增強(qiáng)體顆粒的體 積分?jǐn)?shù)和粒徑來(lái)調(diào)整復(fù)合材料的熱特性，以此適用于多種應(yīng)用。 Molina 等 [37] 采用液體浸潤(rùn)法制備了平均尺寸為 170 和 16 μm 的高體積分?jǐn)?shù)雙峰 SiC p 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并討論了粒度及其分布對(duì)SiC p /Al 復(fù)合材料導(dǎo)熱率的影響。 研究表明，在相同 SiC p 體積分?jǐn)?shù)(即～56%)下，當(dāng)平均粒徑分別從 8 μm 增加 到170 μm， 熱導(dǎo)率從 151 W/mK 增加到 216 W/mK，此外，熱導(dǎo)率隨著雙峰復(fù)合材料中粗顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而增加(～220 W/mK)。 Saadallah 等 [38] 研究了用1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))碳納米管增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，結(jié)果表明， 晶粒界面中氧化鋁和碳化硅的存在可以防止加熱過(guò)程中鋁基體的膨脹，從而降低 CNTs/Al 復(fù)合材料整體的膨脹。然而，碳化鋁的形成反映 Al 和CNTs之間的反應(yīng)，說(shuō)明了 CNTs 結(jié)構(gòu)劣化，這對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。此外，與純 Al 相比，在熱重分析過(guò)程中 CNTs 降低了 CNTs/Al 復(fù)合材料的質(zhì)量損失，提高了鋁基復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。 熱膨脹系數(shù)也是評(píng)價(jià)鋁基復(fù)合材料熱性能的重要指標(biāo)，Shin 等 [39] 使用高能球磨法將 5%(體積分?jǐn)?shù))的 CNT分散到 Al2024 粉末中，然后通過(guò)熱壓和燒結(jié)制備復(fù)合材料塊體。 研究表明，CNTs/Al2024 復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為 18×10 -6 /K，比商業(yè)鋁合金(AlSi12CuMg·Ni)降低了 20%，證明鋁基復(fù)合材料在熱性能方面比純鋁更具有優(yōu)勢(shì)。 由于鋁是一種活潑金屬， 在干燥空氣中鋁的表 面會(huì)立即形成厚約 5 nm 的致密氧化膜， 使鋁不會(huì)進(jìn)一步氧化并具備一定的耐腐蝕能力， 鋁基復(fù)合材料同樣延續(xù)了這種優(yōu)異的化學(xué)性能， 使其在易腐蝕和低溫環(huán)境應(yīng)用產(chǎn)品方面發(fā)揮著重要作用， 例如苔蘚型和 SPB 型儲(chǔ)罐(LNG 運(yùn)輸船絕緣系統(tǒng))、北極化學(xué)加工設(shè)備、 壓力容器、 海底管道和鉆桿 (海上結(jié)構(gòu))。 許多研究主要集中在一種用于腐蝕和低溫環(huán)境的替代材料，該材料可以延長(zhǎng)使用壽命而不影響性能。 目前有許多測(cè)試可以研究鋁基復(fù)合材料中的腐 蝕行為，如浸泡測(cè)試、侵蝕腐蝕測(cè)試、鹽霧測(cè)試等 [40] 。EL-Aziz 等 [40] 在 Al-Si 基體中添加 Al 2 O 3 顆粒，采用攪拌鑄造法制備了不同含量的 Al 2 O 3 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并對(duì)其濕態(tài)和腐蝕行為進(jìn)行研究。試驗(yàn)中使用直徑為 10 mm、厚度為 3 mm 的圓盤狀試樣，研究發(fā)現(xiàn)添加 Al 2 O 3 顆粒可提高鋁基復(fù)合材料的耐腐蝕性。 Krupakara [41] 研究了不同含量赤泥增強(qiáng) 6061 鋁合金復(fù)合材料的腐蝕特性， 并用不同比例的濃縮氯化鈉溶液對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)中氯化鈉溶液的濃度為 0.035%、0.35%和 3.5%， 將已知質(zhì)量的試樣浸入腐蝕劑中， 并間隔 24、48、72 和 96 h稱量其質(zhì)量。通過(guò)計(jì)算質(zhì)量損失，并以每年的滲透密爾表示腐蝕速率。研究發(fā)現(xiàn)，合金和復(fù)合材料的腐蝕速率隨暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。 復(fù)合材料的腐蝕速率低于相應(yīng)的合金。 Samal 等 [42] 研究了采用攪拌鑄造技術(shù)制備的 SiC/Al-Mg 復(fù)合材料的腐蝕行為，使用靜態(tài)浸沒(méi)法在環(huán)境溫度下， 在濃度為 5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 的氯化鈉水溶液中對(duì)該復(fù)合材料進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，試樣的 尺寸 為 20 mm×20 mm×5 mm，時(shí)間為12 h。 根據(jù)復(fù)合材料與標(biāo)準(zhǔn)鋁的比較，確定復(fù)合材料的質(zhì)量損失率為 3.53%，表明其適用于海洋/鹽水環(huán)境。 Muthazhagan 等 [43] 對(duì)鋁硼碳化物-石墨復(fù)合材料腐蝕行為進(jìn)行研究。 其中該復(fù)合材料由不同比例的增強(qiáng)體(5%，10%，15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的碳化硼及石墨)制成， 并使用濃度為 4%，8%，12%的氯化鈉溶液在室溫下進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)， 試樣尺寸為 15 mm×15 mm×5 mm。 研究結(jié)果表明，復(fù)合材料的腐蝕速率隨石墨和碳化硼添加到鋁基體中而增加。 此外，5083 鋁合金也被選為許多海洋和低溫應(yīng)用的基體材料 [44] 。 通過(guò)在 AA5083 中添加合適的增強(qiáng)體， 可以進(jìn)一步提高材料的耐腐蝕性。 圖 8 揭示了鋁基復(fù)合材料在NaCl 溶液中的腐蝕過(guò)程，鋁合金的高耐腐蝕性歸因于表面形成致密連續(xù)的氧化膜 [45] 。 若增強(qiáng)體與基體的結(jié)合不好，則會(huì)成為腐蝕的起點(diǎn)，增強(qiáng)體的存在削弱了氧化層的保護(hù)，腐 蝕開(kāi)始后，缺陷處由于沒(méi)有氧化層的保護(hù)會(huì)加速腐蝕的過(guò)程， 逐漸形成多段不連續(xù)的區(qū)域，圖8(e~f) [46-52,53-60] 展示了不同類型鋁基復(fù)合材料在 3.5%NaCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液中的的腐蝕速率 [45] 。 8 鋁基復(fù)合材料的腐蝕機(jī)理及耐蝕性能對(duì)比：(a~d) 鋁基復(fù)合材料在氯化鈉鹽溶液中的腐蝕機(jī)理，(e~f) 不同類型鋁基復(fù)合材料在 3.5 wt.% NaCl 溶液的腐蝕速率 [45-60] Fig.8 Corrosion mechanism and properties comparison of aluminum matrix composite: (a~d) corrosion mechanism of aluminum matrix composite in sodium chloride solution, (e~f) the corrosion rate of different types of aluminum matrix composites in3.5 wt.% NaCl solution [45-60] 除了宏觀增強(qiáng)體外， 納米顆粒也可作為鋁基復(fù) 合材料的增強(qiáng)體 [61] ，并且研究發(fā)現(xiàn)納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具備更加優(yōu)異的性能。 根據(jù)前人研究結(jié)果， 在鋁基復(fù)合材料中添加納米顆粒作為增強(qiáng)材料以獲得高增強(qiáng)效果之前， 需要考慮 3 個(gè)重要機(jī)制：Orowan 機(jī)制、熱失配和載荷轉(zhuǎn)移，它們是用于增強(qiáng)金屬基體的機(jī)制。大多數(shù)研究表明，碳納米管可以有效的作為鋁基體的增強(qiáng)材料， 具有改善機(jī)械性能和腐蝕性能的能力。 例如采用 4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的碳納米管分散在鋁基體 [62] 中時(shí)，在 NaCl 和 H 2 SO 4 介質(zhì)中的腐蝕速率分別降低了 46%和 47%。 Samuel 等 [63] 研究了不同含量多壁碳納米管增強(qiáng)鋁金屬基體的腐蝕行 為， 所制備復(fù)合材料中碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1%、1.25%、1.5%和 1.75%。 通過(guò)在室溫下將復(fù)合材料浸入90 ml HCl 稀釋溶液中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。 相比于氯化鈉溶液，HCl 溶液酸性更強(qiáng)，結(jié)果表明，隨著碳納米管的含量增加，復(fù)合材料的耐腐蝕性能提高，因此該復(fù)合材料可用于腐蝕性環(huán)境。 與 5083 鋁合金相比，碳納米管增強(qiáng) 5083 鋁合金復(fù)合材料的壽命更長(zhǎng)。當(dāng)材料為 1.75% MWCNT 含量的 5083 鋁合金時(shí)， 腐蝕速率為 448.88 mm/y，相對(duì)較低，因此提高碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可增強(qiáng)材料的耐腐蝕性。綜上所述，碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料體系是一種潛在的耐腐蝕鋁基復(fù)合材料，有望在易腐蝕環(huán)境服役方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。 不同增強(qiáng)體的類型、含量、尺寸、分布及不同基 體類型等因素對(duì)鋁基復(fù)合材料的顯微組織和力學(xué)性能影響極大。 表 1 為不同制備方法、不同顆粒類型、不同含量以及不同基體的微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能， 表 2 為納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能?？梢钥闯鲭S著增強(qiáng)體顆粒含量的增加，復(fù)合材料的彈性模量、 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有明顯提高，而伸長(zhǎng)率在逐漸降低；對(duì)于納米級(jí)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，當(dāng)顆粒含量超過(guò)一定程度時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能發(fā)生顯著下降。 增強(qiáng)相加入基體， 鋁基復(fù)合材料的彈性模量會(huì) 顯著提高。 影響鋁基復(fù)合材料彈性模量的因素主要有增強(qiáng)相種類、含量、長(zhǎng)徑比及分布等。 基體與增強(qiáng)相之間界面結(jié)合力也是影響彈性模量的重要因素，良好的界面結(jié)合將賦予鋁基復(fù)合材料更高的彈性模量。此外，基體與增強(qiáng)體之間的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的熱殘余應(yīng)力分布不均勻也是不可忽略的因素。 對(duì)于 Al 2 O 3 復(fù)合材料而言， 由于材料中熱殘余應(yīng)力的存在，使鋁基體處于拉應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)材料受到拉伸載荷時(shí)，材料的應(yīng)變可能會(huì)包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變。與基體合金相比， 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的比例極限更低，因此測(cè)量復(fù)合材料的彈性模量比較困難。 彈性模量是一個(gè)對(duì)組織結(jié)構(gòu)不敏感的力學(xué)性能 指標(biāo)，其表示材料的本征特性。除從經(jīng)典材料力學(xué)的角度分析比較其大小外， 采用復(fù)合材料的混合法則可以定量估算出整體復(fù)合材料的彈性模量數(shù)值 [72] 。 設(shè)增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為 V f ，則彈性模量通過(guò)下式計(jì)算 [73-74] ： 式中，E c 、E m 、V f 分別為復(fù)合材料、基體和顆粒的彈性 模量。 該式是采用材料力學(xué)方法根據(jù)等應(yīng)變假設(shè)推導(dǎo)出來(lái)的，是并聯(lián)模型，計(jì)算得到的是鋁基復(fù)合材料 的縱向彈性模量，即彈性模量的上限值。如果采用等應(yīng)力假設(shè)，即可得到串聯(lián)模型，可推導(dǎo)出下式 [73- 74] ： 該式計(jì)算的是鋁基復(fù)合材料的橫向彈性模量即 彈性模量的下限值。結(jié)合表 1 和表 2 可以看出，隨著增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)增大，彈性模量也隨之增大。例如選擇高模量的 SiC 增強(qiáng)體比 Al 2 O 3 可以獲得更高彈性模量的鋁基復(fù)合材料。有研究表明，復(fù)合材料的彈性模量與基體的合金化影響不大， 而不同的鋁基復(fù)合材料的比模量存在一定差異。 界面結(jié)合也是影響復(fù)合材料彈性模量的重要因素， 通過(guò)對(duì) SiC p 研究表明， 界面對(duì)載荷傳遞作用的發(fā)揮程度嚴(yán)重影響了復(fù)合材料的彈性模量。 表 3 為 SiC p 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料彈性模量與溫度的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn) SiC p 明顯提高復(fù)合材料的彈性模量， 并且高溫下的穩(wěn)定性隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。 Cao 等 [75] 采用粉末冶金制備了 CNTs/Al 復(fù)合材料，利用純鋁能夠大塑性變形的能力分散高含量 5%(體積分?jǐn)?shù))的 CNTs，CNTs 在高溫下穩(wěn)定基體組織并起到了良好的增強(qiáng)效果，制備的 CNTs/Al 復(fù)合材料高溫性能相比于其他非連續(xù)增強(qiáng)體具有明顯的高溫強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，如圖 9 所示 [75] ，在航空航天等高溫應(yīng)用場(chǎng)景具有良好的應(yīng)用前景。 關(guān)于鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度， 其強(qiáng)化機(jī)制主要分 為 4 種，分別是奧羅萬(wàn)(Orowan)強(qiáng)化、載荷傳遞強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化，其中奧羅萬(wàn)強(qiáng)化和載荷轉(zhuǎn)移是增強(qiáng)體直接的貢獻(xiàn)， 位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化是增強(qiáng)體引入基體后導(dǎo)致基體的變化而間接引起的強(qiáng)化。 在粉末冶金工藝中， 增強(qiáng)體顆粒的粒徑對(duì)基體的晶粒尺寸有細(xì)化作用，比如在高能球磨工藝中，高體積分?jǐn)?shù)的增強(qiáng)體顆粒可以促使基體晶粒細(xì)化，進(jìn)而導(dǎo)致整體復(fù)合材料強(qiáng)度提高。 Chen 等 [76] 研究發(fā)現(xiàn)，隨著球磨過(guò)程的進(jìn)行，一維增強(qiáng)體 CNTs 對(duì) Al基體的增強(qiáng)機(jī)制從長(zhǎng)徑比較大時(shí)的載荷傳遞主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)徑比較小時(shí)的奧羅萬(wàn)機(jī)制主導(dǎo)， 如圖 10 所示。 對(duì)于晶須增強(qiáng)或碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，強(qiáng)化效果受到載荷傳遞的貢獻(xiàn)。研究認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)力作用于復(fù)合材料時(shí)， 載荷或應(yīng)力可以通過(guò)鋁基體傳遞到增強(qiáng)體上，由于增強(qiáng)體的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于基體強(qiáng)度，所以增強(qiáng)體將承擔(dān)更大應(yīng)力， 從而降低基體的承載水平。在鋁基復(fù)合材料中，高應(yīng)力區(qū)發(fā)生在增強(qiáng)體尖端處， 但是當(dāng)增強(qiáng)體落入相鄰增強(qiáng)體的低應(yīng)力區(qū)時(shí)在增強(qiáng)體兩端的高應(yīng)力區(qū)將會(huì)減少。 除了彈性模量和強(qiáng)度， 增強(qiáng)體的引入也會(huì)導(dǎo)致 復(fù)合材料的塑性發(fā)生變化。 鋁基復(fù)合材料的塑性是指其在斷裂前能夠承受最大殘余變形的容量， 而韌性是指復(fù)合材料在斷裂前吸收的能量。 鋁基復(fù)合材料中低塑性和低韌性主要由 2 個(gè)因素造成： 一方面與增強(qiáng)體相關(guān)。 例如增強(qiáng)體的團(tuán)聚、斷裂、增強(qiáng)體與鋁基體界面脫粘、致密度低等，研究表明，脆性增強(qiáng)體的加入使得鋁基體的塑韌性都有一定程度的下降，而隨著增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的強(qiáng)化效果越好，而塑韌性均下降。對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來(lái)講，纖維是增強(qiáng)體，是應(yīng)力承載體，而大多纖維為脆性相， 因此纖維本身的斷裂應(yīng)變決定了整個(gè)鋁基復(fù)合材料塑韌性主要有增強(qiáng)體含量控制。 對(duì)于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，顆粒的大小、形狀、分布以及制備工藝等條件對(duì)材料的塑韌性有較大影響， 最新研究表明， 增強(qiáng)體網(wǎng)狀構(gòu)型有利于提高復(fù)合材料的塑韌性 [77-80] 。 另一方面與基體相關(guān)，基體內(nèi)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，由于熱膨脹系數(shù)差異大導(dǎo)致基體的硬化、基體的塑性流變收到限制等，實(shí)際上，這些因素往往共存且相互影響鋁基復(fù)合材料的塑性性能。 鋁基復(fù)合材料除了具有優(yōu)異的物理、化學(xué)、力學(xué) 性能外，還具備優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。目前鋁基復(fù)合材料已成為建筑 [81] 、結(jié)構(gòu)和低碳鋼軸承應(yīng)用 [82] 的首選材料，用于制造氣缸套、旋轉(zhuǎn)葉片套筒、制動(dòng)鼓等部件、氣缸體、齒輪零件、活塞頂、曲軸、盤式制動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)軸等 [83-88] ，在航天與國(guó)防等領(lǐng)域 [89-90] 引起了更多的 [91] 。 以及一些其他領(lǐng)域，比如鐵路運(yùn)輸 [92] 、運(yùn)動(dòng)器材 [93] 、壓縮機(jī)活塞 [94] 、能源 [95] 等。這些應(yīng)用領(lǐng)域表明， 大多數(shù)鋁基復(fù)合材料零部件易受高磨損率的影響 [84] 。 因此，有必要研究這些復(fù)合材料的磨損特性，以增強(qiáng)對(duì)其服役行為的理解。圖 11 為測(cè)試材料摩擦磨損性能常用的銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)原理及實(shí)物圖。 Sun 等 [97] 發(fā)現(xiàn)鋁基體和復(fù)合材料試樣的磨損量 都隨著外加載荷的增加而增加。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合試樣的摩擦系數(shù)低于鋁基體，最大載荷值為 65 N，反之亦然。 當(dāng)載荷值為 50 N 時(shí)，鋁基體的磨損條件發(fā)生轉(zhuǎn)變，與合金試樣相比，復(fù)合材料試樣的耐磨性有所提高。在此階段，基體合金的磨損量突然增加。因此，用 9%Sip(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料比基體合金具有更好的耐磨性。 Karun 等 [96] 通過(guò)攪拌鑄造工藝制備了 SiC/A356 功能梯度復(fù)合材料，以研究其磨損行為。 隨著載荷的增加，復(fù)合材料的磨損率增加。合金表現(xiàn)出粘著磨損特征， 而功能梯度復(fù)合材料中主要為磨粒磨損機(jī)制。 Ramesh 等 [98] 研究了 TiB 2 /Al6063 復(fù)合材料的摩擦磨損性能，結(jié)果如圖 12 所示，可以看到隨著載荷增大， 滑動(dòng)速度的增大和滑動(dòng)距離的增加，磨損率均逐漸增大。通過(guò)對(duì)比復(fù)合材料和純合金，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的磨損率均低于純合金，且隨著增強(qiáng)體 TiB 2 含量的增加， 磨損率進(jìn)一步降低， 說(shuō)明制備的鋁基復(fù)合材料具有比純合金更好的摩擦磨損性能。 此外，Baradeswaran 等 [99] 研究了 Al 2 O 3 /7075復(fù)合 材料在 10～40 N 載荷范圍內(nèi)的磨損性能。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 復(fù)合材料的磨損率隨著外加載荷的增加而增加(同時(shí)表面溫度隨之增加)， 這是因?yàn)樵谝?guī)定的載荷范圍內(nèi)，磨損表面上不再觀察到氧化膜。研究結(jié)果表明，純合金的磨損率最高，而 6%Al 2 O 3 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的磨損率最小。 氧化鋁纖維的存在也會(huì)進(jìn)一步影響鋁基復(fù)合材料的摩擦磨損過(guò)程，通過(guò)加入氧化鋁纖維可以明顯改善材料的耐滑動(dòng)磨損性能， 因?yàn)樵谧冃芜^(guò)程中阻礙了塑性變形并且抑制了裂紋的擴(kuò)展， 氧化鋁纖維在摩擦過(guò)程中可以起到如圖 13 所示的效果，從而提高材料的耐磨性能 [100] 。Ravindran 等[101]研究了 5% SiC/x% Gr/Al-2024(x=0,5, 10，質(zhì)量分?jǐn)?shù))混雜復(fù)合材料在不同實(shí)驗(yàn)條件下的磨損行為。 實(shí)驗(yàn)中同樣觀察到，隨著載荷的增加，混雜復(fù)合材料的磨損量逐漸增加。據(jù)報(bào)道，所有樣品的磨損率的急劇上升代表了磨損條件的轉(zhuǎn)變。 磨損率隨載荷增加而增加(對(duì)于所有材料)，可歸因于較高載荷下磨損表面的大塑性變形。 就復(fù)合材料的摩擦系數(shù)而言，載荷是最重要的因素(貢獻(xiàn)率為 61.47%)，而它對(duì)復(fù)合材料的滑動(dòng)磨損行為有 13.78%的影響。因此，在選定的研究范圍內(nèi)，載荷作為復(fù)合材料磨損行為的重要因素的重要性是顯而易見(jiàn)的。 也有研究發(fā)現(xiàn)了不同的磨損率變化，Rajeev 等 [102] 對(duì) 15%SiC p (質(zhì)量分?jǐn)?shù))增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在 0.2～0.4 m/s 的速度范圍內(nèi)滑動(dòng)磨損條件下的磨損行為進(jìn)行了研究。 研究發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)速度范圍內(nèi)，磨損率呈二次曲線變化。磨損隨著速度的增加而減少，在過(guò)渡速度處達(dá)到最小值，然后增加。這是因?yàn)閼?yīng)變率隨速度增加而增加， 反過(guò)來(lái)又增加了復(fù)合材料的硬度或流動(dòng)強(qiáng)度。 這會(huì)降低接觸面積， 從而降低磨損量(在 0.2～0.35 m/s 的速度范圍內(nèi))。 如果速度增加到超過(guò) 0.35 m/s，會(huì)導(dǎo)致溫度升高，因?yàn)槟Σ良訜釙?huì)軟化磨損表面，從而增加接觸面積。 因此，在 0.35 m/s的臨界速度下， 應(yīng)變率的影響比溫度影響更占優(yōu)勢(shì)，反之亦然。 這些結(jié)果與 Ravindran 等 [101] 獲得的結(jié)果一致， 他們采用粉末冶金法制備了 5% SiC/x%Gr/Al-2024(x=0, 5, 10，質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的磨損率隨著滑動(dòng)速度的增加而減少(最高過(guò)渡速度為 5 m/s)。 然而， 在所有復(fù)合試樣中，5%SiC/x% Gr/Al-2024(x=0, 5, 10，質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料的磨損率最低。結(jié)果表明，滑動(dòng)速度對(duì)磨損行為的貢獻(xiàn)為 12.43%，摩擦行為的貢獻(xiàn)值為 8.86%。 復(fù)合材料的磨損減少可能是由于復(fù)合材料中存在固體潤(rùn)滑劑(石墨)顆粒，從而在磨損接觸表面上形成摩擦層。 航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、輕量化的需求，奠定了 鋁基復(fù)合材料作為先進(jìn)材料的地位。 利用不同增強(qiáng)體及基體的特性所制備的輕質(zhì)高強(qiáng)、 耐腐蝕及優(yōu)異導(dǎo)熱導(dǎo)電等諸多性能的鋁基復(fù)合材料， 逐漸成為航空航天領(lǐng)域應(yīng)對(duì)不同服役條件的關(guān)鍵材料， 被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、客機(jī)、運(yùn)載火箭等飛行器的重要零部件上 [1-3] 。圖 14 為在商業(yè)飛機(jī)中不同材料及復(fù)合材料的使用情況占比， 可以看出鋁是航空領(lǐng)域材料的重要組成部分 [103-104] ，而與其相關(guān)的輕質(zhì)高強(qiáng)鋁基復(fù)合材料也具有廣闊的應(yīng)用前景。 航空領(lǐng)域因其特殊的環(huán)境條件， 對(duì)于材料的性 能要求更高， 例如飛機(jī)起落架就要求材料具有高的比強(qiáng)度且兼具高的低頻疲勞抗力。 尤其當(dāng)材料較薄且需要承受很高應(yīng)力時(shí)，對(duì)強(qiáng)度和韌性的要求更高。輕質(zhì)高強(qiáng)材料不僅有利于減重， 同時(shí)也進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的比模量及強(qiáng)度均明顯高于未加增強(qiáng)體的傳統(tǒng)材料。此外，復(fù)合材料的室溫綜合力學(xué)性能提升，高溫強(qiáng)度明顯提高，疲勞強(qiáng)度得到顯著提升，這些性能的改變有利于其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料作為金屬基復(fù)合材料的代表得到了廣泛應(yīng)用。 鋁基復(fù)合材料因增強(qiáng)體種類、纖維截面形狀、增強(qiáng)體尺寸、制備工藝的不同而獲得不同的組織結(jié)構(gòu)， 從而滿足不同航空服役條件下的使用 [106-107] 。 3.1 鋁基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用 我國(guó)從 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)始進(jìn)行復(fù)合材料在飛 機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用研究，70 年代中期研制成功了復(fù)合材料戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣道壁板，1985 年帶有復(fù)合材料垂尾的戰(zhàn)斗機(jī)成功首飛，1995 年成功研制出帶有整體郵箱的復(fù)合材料機(jī)翼。目前，國(guó)內(nèi)幾乎所有在役軍機(jī)均在不同部位處采用了復(fù)合材料 [108] 。 這是由于飛機(jī)的工作環(huán)境特殊，飛機(jī)上采用的材料要求強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫，同時(shí)具有輕質(zhì)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)材料難以同時(shí)滿足這些要求， 復(fù)合材料的研制可以滿足以上要求。復(fù)合材料因其在飛機(jī)上運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等，迅速得到了發(fā)展，成為飛機(jī)制造中四大結(jié)構(gòu)材料之一。 自 20 世紀(jì) 80 年代起至 21 世紀(jì)初，復(fù)合材料在制造飛機(jī)使用材料中的比例顯著提升，由5%迅速漲至 46%，其中鋁基復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，在飛機(jī)零部件中得到了廣泛應(yīng)用。在一些流行的商用飛機(jī)中，大約 50%的結(jié)構(gòu)質(zhì)量來(lái)自復(fù)合材料，如波音 787 和空客 350，其主要框架、機(jī)身/機(jī)翼皮和相關(guān)的桁材由碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造 [106,109] 。 硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是實(shí)際應(yīng)用最早的金屬基復(fù)合材料，美國(guó)和蘇聯(lián)的航天飛機(jī)中機(jī)身框架、支柱及起落架拉桿等部位均應(yīng)用了該材料。 此外，硼/鋁復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)熱性， 熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片非常接近， 因此在元器件發(fā)熱時(shí)能最大限度地降低接頭處的應(yīng)力集中，不僅在結(jié)構(gòu)件，而且在散熱結(jié)構(gòu)中都有廣闊的應(yīng)用前景 [110-112] 。 硼/鋁復(fù)合材料在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片、結(jié)構(gòu)支撐件、飛機(jī)機(jī)翼蒙皮、飛機(jī)垂直尾翼、飛機(jī)起落架部件、導(dǎo)彈構(gòu)件等航空結(jié)構(gòu)件均有應(yīng)用前景 [113-115] 。 SiC/Al 復(fù)合材料是航空航天應(yīng)用最廣泛的鋁基 復(fù)合材料之一， 因其具有優(yōu)異的耐熱性和室溫 / 高溫力學(xué)性能，增強(qiáng)體碳化硅與 Al 之間的界面結(jié)合效果也較好，有助于 SiC f /Al 復(fù)合材料在飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件及導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件、 飛機(jī)尾翼平衡器等位置得到應(yīng)用 [116-117] 。 北京有色金屬研究總院采用粉末冶金法研制的 SiC/Al、B4C/Al 復(fù)合材料及噴射沉積法制備的Si/Al 復(fù)合材料已成功應(yīng)用在航空領(lǐng)域的直升機(jī)、相控陣?yán)走_(dá)等部位 [109,118] 。 此外，美國(guó)主力戰(zhàn)機(jī)“猛禽”F-22中的發(fā)電單元、電子計(jì)數(shù)測(cè)量陣列、自動(dòng)駕駛儀上均采用碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的封裝材料。美國(guó)洛克希德·馬丁公司用碳化硅顆粒增強(qiáng) 6061Al 基體，其中 SiC 顆粒含量為 25%，該復(fù)合材料具有良好的綜合力學(xué)性能， 被用于制造飛機(jī)上放置電氣設(shè)備的支架，其剛度比所替代的 7075 高強(qiáng)鋁合金高 65%，可以有效防止飛機(jī)在空中旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)彎時(shí)引起的彎曲現(xiàn)象。20 世紀(jì) 90 年代末，SiC p /Al 復(fù)合材料在大型客機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用， 美國(guó)惠普公司從 PW4084 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始， 采用 DWA 公司生產(chǎn)的擠壓態(tài) SiC p 顆粒增強(qiáng)變形鋁合金復(fù)合材料來(lái)制造風(fēng)扇出口處的導(dǎo)流葉片，最終應(yīng)用于波音 777 客機(jī)。此外， 英國(guó)的航天金屬基復(fù)合材料公司采用經(jīng)典的粉末冶金方法制備了顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，也已在飛機(jī)制造業(yè)中加以推廣 [106,109,119] 。 自其成功制備以來(lái)，SiC p /Al 復(fù)合材料已經(jīng)成功應(yīng)用于包括戰(zhàn)斗機(jī)腹鰭、 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流葉片及直升機(jī)旋翼連接件等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上。 DWA 復(fù)合材料公司與洛克希德·馬丁公司制備的 SiC p /Al6092 復(fù)合材料被應(yīng)用到 F216戰(zhàn)斗機(jī)的腹鰭上， 較原有的鋁合金材料剛度提高了約 50%，使用壽命提升至約 8 000 h。 英國(guó) AMC 公司利用機(jī)械合金化粉末冶金法制備的 SiC p /Al 復(fù)合材料生產(chǎn)了直升機(jī)旋翼系統(tǒng)連接用的模鍛件， 且已成功應(yīng)用于 EC-120 及 N4 新型民用直升機(jī)上，如圖15 所示。 相比鋁合金，SiC p /Al 復(fù)合材料的剛度提高約 30%，壽命提高約 5%；相比鈦合金減重 25%，例如鋁蜂窩復(fù)合板是較節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)， 如圖 16 所示，用這種基層做的板材強(qiáng)度大、重量輕、平整度高，且容量大、極其堅(jiān)固，而且不易傳導(dǎo)聲和熱，是理想的建筑及制造航天飛機(jī)、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料 [104,120-122] 。 因顆粒和晶須增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料具有優(yōu)異的 性能，且制造方法相對(duì)簡(jiǎn)單，在航空航天領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用 [106,113] 。 以 Al 2 O 3 為代表的增強(qiáng)體制備而成的鋁基復(fù)合材料具有明顯的增強(qiáng)效果， 這是因?yàn)樵鰪?qiáng)體影響了基體的形變過(guò)程， 且影響大塑性變形過(guò)程中的再結(jié)晶程度， 同時(shí)對(duì)于鋁合金中的時(shí)效過(guò)程也有益處。 Al 2 O 3 顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、韌性的特點(diǎn)，增強(qiáng)體與基體之間界面結(jié)合良好。 20%含量的 Al 2 O 3 顆粒增強(qiáng)的 6061鋁合金復(fù)合材料在飛機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上已經(jīng)得到了應(yīng)用， 不僅利用了其高強(qiáng)度和韌性， 同時(shí)利用了低密度的特點(diǎn)，減重后的驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)一步提高了飛機(jī)的性能。成形過(guò)程采用復(fù)合材料坯由芯桿穿孔， 然后通過(guò)無(wú)縫擠壓制成管狀軸桿，獲得的軸桿最高轉(zhuǎn)速提高了約 14% [125] 。 由于鋁基復(fù)合材料在變形后相比于未加增強(qiáng)體 的純基體材料具有更高的儲(chǔ)存能， 導(dǎo)致其再結(jié)晶起始溫度更低，如采用粉末冶金法制備的 Al/SiC p 復(fù)合材料，在經(jīng)過(guò) 60%變形后的 50%再結(jié)晶溫度隨著碳化硅顆粒含量的增加而出現(xiàn)明顯下降， 即高含量的增強(qiáng)體會(huì)增加體系的儲(chǔ)存能， 且形核點(diǎn)的數(shù)量隨著碳化硅的尺寸減小而增多， 這些綜合因素導(dǎo)致再結(jié)晶溫度出現(xiàn)了下降， 最終使得復(fù)合材料中晶粒尺寸降低，材料的塑韌性得到同時(shí)提高。對(duì)于 2 系鋁合金為基體的復(fù)合材料而言，SiC 顆粒含量的增加會(huì)降低 θ′和 S′相的形成溫度，加速時(shí)效硬化過(guò)程。 碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料也具有高的比剛度和比強(qiáng)度，比純鋁和中碳鋼都高，且密度僅為鋼的 1/3，在300～350 ℃的高溫下可以保持良好的性能。 當(dāng) SiC p 體積分?jǐn)?shù)超過(guò) 50%時(shí)，高含量 SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有杰出的結(jié)構(gòu)承載能力、 獨(dú)特的防共振能力和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性， 其比模量可達(dá)傳統(tǒng) Ti 合金或 Al合金的 3 倍，熱膨脹系數(shù)低于 Ti 合金，此外熱導(dǎo)率也明顯優(yōu)于鋁合金， 其平均諧振頻率比傳統(tǒng)金屬如鈦、鋁、鋼等高出 60%。 這些優(yōu)秀的綜合功能/結(jié)構(gòu)一體化復(fù)合材料得到了航空領(lǐng)域的青睞，在儀器結(jié)構(gòu)件、微電子器件封裝元件中具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng) [109,126-127] 。 3.2 鋁基復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用 我國(guó)金屬基復(fù)合材料在 2000 年左右也開(kāi)始逐 漸應(yīng)用于航天器上。 北京航空材料研究院研制的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料精鑄件，包括支撐輪、鏡身和鏡盒，用于某型號(hào)衛(wèi)星的遙感器定標(biāo)裝置，并成功地研制出空間光學(xué)反射鏡坯縮比件 [113,128] 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)制備出的碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料管件成功應(yīng)用于某型號(hào)衛(wèi)星的天線絲杠。 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所采用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的 17% SiC/Al復(fù)合材料列入航天材料采購(gòu)目錄， 已批量用于空間飛行器結(jié)構(gòu)。此外，上海交通大學(xué)制備了高性能原位自生納米顆粒增強(qiáng)及碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，且在寬溫度變化情況下尺寸穩(wěn)定性好，具有優(yōu)異的阻尼性能，能夠滿足航天惡劣環(huán)境服役條件的要求 [118,121] 。這些材料已正式在“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室的量子密鑰、激光通信、冷原子鐘和光譜儀等多種精密關(guān)鍵構(gòu)件上得到了應(yīng)用，為這些精密設(shè)備儀器的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。 高性能輕質(zhì)高強(qiáng)鋁基復(fù)合材料構(gòu)件也成功在“玉兔號(hào)”月球車的車輪和“嫦娥三號(hào)”的多種遙測(cè)遙感儀器中得到應(yīng)用，助力“嫦娥三號(hào)”和“玉兔號(hào)”圓滿完成任務(wù) [129] 。 硼/鋁復(fù)合材料具有良好的室溫及高溫強(qiáng)度，同 時(shí)具有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度， 當(dāng)含硼纖維體積分?jǐn)?shù)為47%時(shí)，10 7 次循環(huán)后室溫疲勞強(qiáng)度約為 550 MPa。硼/鋁基復(fù)合材料在航天器上首次應(yīng)用是美國(guó)航空航天局(NASA)將 B f /6061Al 復(fù)合材料作為航天飛機(jī)貨倉(cāng)段(軌道器中段)機(jī)身構(gòu)架的加強(qiáng)桁架的管型支柱， 整體機(jī)身構(gòu)架含有 300 件帶有端接頭和鈦套環(huán)的硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料管形支撐件。 與未采用該復(fù)合材料的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比， 其減重效率達(dá) 44%，減重 145 kg。 碳化硅纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料也在 20世紀(jì) 90 年代應(yīng)用于彈體(含彈頭)結(jié)構(gòu)上，制成了宇航結(jié)構(gòu)，能夠有效減輕宇航器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而進(jìn)一步提高其承載能力， 此外該復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的 LD 10 鋁合金，更加適應(yīng)宇航的嚴(yán)苛環(huán)境要求。 新型航天飛行器速度快、控制精度高，要求主體 結(jié)構(gòu)必須高剛度以避免振動(dòng)， 耐高溫以承受氣動(dòng)加熱，高強(qiáng)度以承受大過(guò)載。碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(C f /Al)是現(xiàn)有比強(qiáng)度、比剛度最高的復(fù)合材料，但是C 和 Al 界面反應(yīng)十分嚴(yán)重，成為制備和批量生產(chǎn)的技術(shù)障礙。 武高輝等深入研究了 C 和 Al 反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題，發(fā)明簡(jiǎn)捷的工藝方法，無(wú)污染地解決了界面反應(yīng)難題 [118] ；通過(guò)基體合金成分調(diào)整， 使界面產(chǎn)物由有害的 Al 4 C 3 轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓮?qiáng)化的 β相 Al 3 Mg 2 ，低成本地解決了 C f /Al復(fù)合材料橫向強(qiáng)度問(wèn)題。 C f /Al 復(fù)合材料已經(jīng)用于復(fù)雜薄壁艙體結(jié)構(gòu)，顯示出優(yōu)異的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，解決了對(duì)質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度、空間耐候性等綜合性能有著嚴(yán)格要求的航天結(jié)構(gòu)件材料選用問(wèn)題 [118] 。 此外碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其低密度、軸向強(qiáng)度高、超低軸向熱膨脹等特性，已經(jīng)被成功應(yīng)用于哈勃望遠(yuǎn)鏡，位于波導(dǎo)(高增益天線懸架)上，該懸架長(zhǎng)度達(dá)到 3.6 m，且材料需要滿足軸向良好剛度和低的線膨脹系數(shù)，以保證在太空惡劣環(huán)境下位置準(zhǔn)確及功能完好。 作為波導(dǎo)功能材料，對(duì)其導(dǎo)電性也提出了較高要求，碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料兼具良好的綜合力學(xué)性能和導(dǎo)電性，此外，其質(zhì)量也比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的鋁和碳/樹(shù)脂基復(fù)合材料減重 30%，并且可以避免樹(shù)脂材料在有放射性離子作用下發(fā)生化學(xué)降解過(guò)程， 對(duì)宇宙環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)。 因此碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料同樣可以應(yīng)用于衛(wèi)星拋物面天線、相機(jī)波導(dǎo)管、紅外發(fā)射鏡等部位 [106,130] 。 作為比碳纖維直徑更細(xì)、 長(zhǎng)徑比更大的一維增 強(qiáng)體， 碳納米管逐漸成為新一代輕質(zhì)高強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的首選增強(qiáng)體。 2019 年，上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張荻教授、 李志強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)與航天部門聯(lián)合研制的某型新一代運(yùn)載火箭碳納米管鋁基復(fù)合材料艙體， 順利通過(guò)了軸壓靜力試驗(yàn)考評(píng) [131] 。 如圖 17 所示，該艙體屬于國(guó)內(nèi)首個(gè)，也是國(guó)際上首次采用碳納米管鋁基復(fù)合材料的航空航天產(chǎn)品。 靜力試驗(yàn)證明了該材料在多次軸壓載荷下的性能穩(wěn)定性，達(dá)到了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，驗(yàn)證了新材料的航天產(chǎn)品應(yīng)用可行性， 也證明金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在碳納米管鋁基復(fù)合材料制備、 成形及應(yīng)用技術(shù)方面達(dá)到了國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。碳納米管鋁基復(fù)合材料艙體靜力試驗(yàn)的成功， 為我國(guó)航天結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供了新的材料選擇。 與傳統(tǒng)鋁合金相比， 鋁基復(fù)合材料具有更高的 模量和強(qiáng)度，更高的使用溫度及熱穩(wěn)定性，更優(yōu)異的耐磨損和耐疲勞性能，同時(shí)兼具良好的阻尼性，熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，是目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的金屬基復(fù)合材料。 表 4 總結(jié)了纖維及顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用 [132] ，可以看出纖維及顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能， 并廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。 隨著研究者們對(duì)鋁基復(fù)合材料研究的不斷深入，對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)機(jī)制、增強(qiáng)體增強(qiáng)機(jī)制認(rèn)識(shí)的不斷深入，通過(guò)理論指導(dǎo)實(shí)踐，逐漸制備出高性能的鋁基復(fù)合材料來(lái)滿足航空航天更嚴(yán)峻的工況條件。 隨著增強(qiáng)體的發(fā)展，以碳納米管、石墨烯等為代表的高性能一維、 二維增強(qiáng)體成為鋁基復(fù)合材料新型增強(qiáng)體， 進(jìn)一步提升鋁基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能，同時(shí)對(duì)摩擦潤(rùn)滑、導(dǎo)電導(dǎo)熱性等均有明顯的作用，此外采用過(guò)渡金屬碳/氮/碳氮化物(如 Ti 3 C 2 )衍生的二維層狀材料(MXene)也成為新型增強(qiáng)體的代表，在鋁基復(fù)合材料中得到應(yīng)用。這些新型鋁基復(fù)合材料相比傳統(tǒng)的鋁基復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的性能特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景 [133-134] 。 聲? ? ? 明： 文章內(nèi)容來(lái)源于 中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì) 。僅作分享，不代表本號(hào)立場(chǎng)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系小編刪除，謝謝！
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