随着近年来我国航天事业不断取得突破性进展，多次载人航天工程完美发射的成功离不开众多新材料的支撑。其中，被用于天和太阳能帆板的就是碳化硅增强铝基复合材料，关于这种新材料你了解多少呢？

铝碳化硅AlSiC（SICP/Al或Al/SiC、SiC/Al）是一种颗粒增强金属基复合材料，结合了铝合金基体的比强度高、塑性加工性好、密度低等特性，和SiC颗粒硬度高、热膨胀系数低等优点，是综合性能优良的金属基复合材料。采用Al合金作基体，按设计要求，以一定形式、比例和分布状态，用SiC颗粒作增强体，构成有明显界面的多组相复合材料，兼具单一金属不具备的综合优越性能。因其具有轻量化和高性能的特点，在航空航天，汽车等多个领域都有广泛的应用前景。

新型铝基复合材料的种类以及制备方法

按照不同的增强体，铝基复合材料分为纤维增强和颗粒(直径在0.5——μm之间的等轴晶粒)增强、晶须增强铝基复合材料。常用的增强颗粒主要包括SiC、Si3N4、Al2O3、TiC、TiB2、A1N、B4C以及石墨颗粒或者金属颗粒等。

常见的几种铝基复合材料的制备工艺有粉末冶金法、压力浸渗工艺、反应自生成法、高能高速固结工艺、半固态搅拌复合制造、喷射沉积法、搅拌摩擦加工法及球磨法制备纳米碳管增强铝基复合材料等。TiB2/A1复合材料的制备方法较多，主要有喷射沉积法、LSM、XDTM、挤压铸造、接触反应法、自蔓延高温合成法和反应机械合金化及粉末冶金法等。常见的方法有原位生成法、粉末冶金法、机械搅拌法、挤压铸造法、喷射沉积法、浸渗法等，下面主要对这六种方法进行介绍。

原位生成法

原位生成法由Koczak等人于年首次提出，其原理为按照材料预先设计的需求选取合适的反应剂，然后在特定的环境下将温度升到能使原料内特定元素发生物理化学反应的温度，在这样的条件下材料内部能够反应生成一种或几种均匀分布在基体内部的且热力学稳定的增强体材料，以达到强化的效果。

原位内生法的优点在于原位生成的增强体颗粒在基体内分布均匀，二者之间的界面干净无污染、工艺简单等，故而该方法具备广阔的应用前景，经近几十年的发展，已细化完善出了许多不同的制备工艺，比如：自蔓延高温合成法、弥散放热法、熔盐辅助法和直接反应法等。但是该方法也有一定的缺点，对于制备复合材料的原材料有一定要求，需要满足一些反应条件同时反应的副产物的生成难以控制，另外还存在界面问题等。

粉末冶金法

粉末冶金工艺是最常采用的且最早用于制备纳米颗粒增强铝基复合材料的工艺之一。其制备过程是：先将陶瓷颗粒增强体与铝合金基体粉末在球磨罐中均匀混合，混合过程既可以干混也可以在液体环境下进行。混合后的粉体经过冷压成坯、真空排气、热压烧结及后续处理(如挤压、轧制、热处理等)制得所需的复合材料。其过程示意图如下。

传统的粉末冶金工艺流程示意图

粉末冶金工艺制备过程一般在真空或保护气氛防护下进行且烧结温度低于铝合金的熔点，从而大大的降低了发生界面反应的可能性。粉末冶金法制备铝基复合材料可以大范围调控陶瓷颗粒的尺寸和含量，而且可以保证纳米颗粒增强体在基体中较均匀的分布，减少团聚与偏析的出现，从而使复合材料得到增强。

该方法的缺点则在于材料容易出现气孔，致密度不高。因此，必须通过挤压、轧制或热处理等工艺进行二次处理以改善其致密度及机械性能。此外，粉末冶金制备工艺比较繁琐，通常需要密封、真空或者保护气氛的工作条件，而且烧结温度选择不当会导致偏析。

机械搅拌法

机械搅拌法是在搅拌的过程中将增强体颗粒加入到基体金属液中，利用高速旋转的搅拌装置使增强体均匀混合入基体金属液之中，然后浇入模具中得到想要的铸件。其生产设备见图2所示。机械搅拌法操作过程较为简单，成本低廉，不到其他加工工艺的一半，是可以广泛应用的方法，目前工业上制备复合材料大多数都是采用该方法。

机械搅拌法示意图

综合国内外对搅拌铸造的研究发现，搅拌铸造法可以以搅拌时的熔体温度为依据，将其分为液态搅拌和液半固态搅拌两种方法。液态搅拌法主要是使搅拌温度保持在液相线以上，一边搅拌一边加入增强体颗粒，搅拌之后可以直接进行浇铸。半固态搅拌是指将搅拌温度调制固液相线之间，使熔体之中有一定的固相体积分数。这样在搅拌的时候熔体中会有更大的剪切力容易使增强体颗粒分布均匀。

这两种方法各有优缺点，液态法简单，但是卷气很严重，颗粒分散的不够均匀。但是半固态搅拌铸造法目前仍存在一些问题，如在搅拌过程中陶瓷颗粒容易产生偏聚、界面处易发生反应等。其次，在空气环境下进行搅拌时，搅拌的过程中尤其是高速搅拌时很容易吸入气体，使得最后浇铸出的复合材料产品内部出现有害的气孔缺陷。再次，颗粒增强相添加的体积分数有一定限制是利用搅拌铸造法制备金属基复合材料的另一个问题。

挤压铸造法

这种方法首先是要按照零件的形状将增强体材料制备成预制块，然后放入铸型。在重力下浇注液态金属或合金，随后对金属液施加压力，使基体熔液渗入到预制块中形成锭。其制备示意图如下图。

挤压铸造示意图

挤压铸造后得到的材料均匀性非常良好，材料内部没有明显的缺陷。这是因为碳化硅颗粒与铝合金基体的结合界面非常好，结合的十分紧密，使得二者之间的界面能够起到传递载荷的作用，实现抑制铝基体的膨胀的情况。

挤压铸造法还有诸多优点：制备出的产品尺寸准确稳定，省去了后期二次加工的麻烦；金属液浸渗的时间很短，因此能够获得很快的冷却速度，这样可以大大减少不良界面反应的发生；加入增强相的量可以自由的调节其范围。但是该方法工艺复杂，不利于用来成型形状复杂的产品，而且如果使用浸渗的压力比较大，可能会对产品形状和模具的完好性产生很大的影响。

喷射沉积法

喷射沉积法是一种新型的加工工艺，主要是将熔化的基体金属液在高速流动的惰性气体中雾化向外喷出，同时将增强体颗粒添加到雾化喷出的金属液体中，使两者在沉降的过程中混合，最后共同在经过预处理的基体上沉积制得想要的复合材料。制备过程如下图所示。

喷射成形制备复合材料示意图

这种方法的优点是可以随意调节增强体相的体积分数，而且增强体材料的粒度大小在制备时也不受限制。得益于增强体颗粒与基体熔液之间接触的时间很短暂，因此二者之间反应时间非常有限，这样可以明显的改善二者之间的界面的结合状态。因此雾化沉积技术可以使得基体保持快速凝固的特点，得到的晶粒十分细小。

浸渗法

浸渗法通常有两种主要形式，包括无压浸渗和压力浸渗。无压浸渗相对简单，就是将基体Al合金在可控气氛炉中加热，使其超过液相线温度；然后在不加压力的条件下，使合金溶液自行浸渗到SiC预制体中去的制备方法。压力浸渗的区别就是加上压力条件，其方法接近于挤压渗透铸造。

浸渗法是一种成本较低且工艺简单的制备技术。因而常用于高体积分数SiCp/Al基复合材料的制备，制得的材料SiC颗分布相对均匀。成熟的无压浸渗法制备的SiC/Al复合材料材料甚至已经能够应用于电子封装。但这种方法对预制体引入的高孔隙率难以控制。

颗粒增强SiCp铝基复合材料

近年来，一种具有高强度、超强耐磨、抗腐蚀性能好，可以广泛用于航空航天制造和汽车机械业的新型材料——颗粒增强SiCp铝基复合材料，在中铝山东分公司研发成功。这种新型铝基复合材料其密度仅为钢的1/3，但比强度比纯铝和中碳钢都高，具有极强的耐磨性，可以在——℃的高温下稳定工作，因而被美国、日本和德国等发达国家广泛应用于汽车发动机活塞、齿轮箱、飞机起落架、高速列车以及精密仪器的制造等，并形成市场化的生产规模。目前，国际市场价格为3万美元/t。由于利用该材料生产终端产品的铸造工艺及其深加工关键工艺不成熟，目前国内尚无企业进行规模化生产。该材料的研发成功，不仅填补了我国铝基复合材料规模化生产的空白，而且有望打破我国长期依赖进口的局面。

纵观国内外，对铝基复合材料的应用研究方面，主要集中在SiC颗粒增强铝基复合材料料，并且取得很大的成就。少数国家(如美国、日本和加拿大等)已进入应用阶段，取得了显著的经济效益。我国在该领域的研究起步较晚，大多数仍处于实验室阶段，而且研究的深度和广度也很有限，工业上的研究才刚刚开始。铝基复合材料以其优良的性能，问世以来在汽车工业、航空航天、电子、军工和体育等许多领域得到广泛的应用。制约其发展的关键因素(如工艺复杂、成本高)等问题正逐步得到消除，许多国家已建立了工业规模生产铝基复合材料的工厂，相信在不久的将来，铝基复合材料的制造工艺会更简单，成本会更低，使用范围会更广。

应用前景

铝基复合材料由于自身的一些特殊优点，在航空、航天和军事部门备受青睐，应用十分广泛。例如，A1基复合材料还用于制造光学和电子零件，美国亚利桑那大学研制了一种超轻空间望远镜，采用SiC/A1复合材料制造行架、支架和副镜等，使质量大大减轻。美国DWA公司和英国AMC公司将SiC/Al批量用于EC-和EC-直升机旋翼系统，大幅提高构件刚度和寿命。这些关键结构件的成功应用说明美国和英国对这种材料的应用研究已相当成熟。

SiC颗粒增强的铝基复合材料薄板未来将应用于先进战斗机的蒙皮以及机尾的加强筋，美国航天航空局采用石墨/铝复合材料作为航天飞机中部长20m的货舱架。

除了航天领域铝基复合材料也在交通运输工具中担任重要角色

铝基复合材料在汽车工业的研究起步较早。20世纪80年代，日本丰田公司就已经用硅酸铝纤维增强铝基复合材料，成功地制造了汽车发动机活塞抗磨环和汽车连杆等汽车零部件。美国的

Duralean公司研制出用SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘，使其质量减轻了40%——60%，而且提高了耐磨性能，噪声明显减小，摩擦散热快；同时该公司还用SiC颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件。这种汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、良好的耐高温性能和抗咬合性能，同时热膨胀系数更小，导热性更好。用SiCp/Al复合材料制成的汽车齿轮箱，在强度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的提高。铝合金复合材料也可以用来制造刹车转子、刹车活塞、刹车垫板和卡钳等刹车系统元件，还可用来制造汽车驱动轴和摇臂等汽车零件。上海交通大学及兵器科学研究院等单位，也针对铝基碳化硅在汽车上的应用方面进行了大量的实践工作。

铝基碳化硅在电子和光学仪器中的应用

SiC增强铝基复合材料，由于具有热膨胀系数小、密度低及导热性能好等优点，适合于制造电子器材的衬装材料及散热片等电子器件。SiC颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数完全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配，而且导电、导热性能也非常好。

在精密仪器和光学仪器的应用研究方面，铝基复合材料用于制造望远镜的支架和副镜等部件。另外，铝基复合材料还可以制造惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器和光学仪器。

SiCp/Al基复合材料作为一种轻质高强的多功能复合材料，继Al合金和Ti合金之后，发展成为新一代的结构材料，也因此成为当今金属基复合材料发展与研究的主流。但问题依然存在，比如生产成本过高，大规模化生产困难，产品生产的稳定性不易实现等。因而对于SiC/Al基复合材料产品研发制备依然还有很长的路要走。

直升机用SiCp/Al基复合材料

参考来源：

武庆杰.SiC/Al基复合材料界面的显微结构及第一性原理研究.

李通，王全兆，等.碳化硅颗粒增强铝基复合材料的超声检测.热加工工艺.

王志刚.SiCp/Al基复合材料制备工艺及性能研究.年6月.

郑州华菱超硬材料.铝基碳化硅复合材料的高效金刚石铣刀的开发及应用.

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