ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＣＯＭＰＯＳｌＴＥＳ ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ 先进复材技术 Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ＡＭＣ）公司。这些公司已经具备规模生产 能力和丰富的产品规格。ＤＷＡ铝基复合材料公司的主 要产品为以６０９２、２００９和６０６３为基体，ＳｉＣ颗粒为增强 体的复合材料。６０９２／ＳＩＣ为其最早的产品系列，主要有 板材和挤压型材 Ｊ。 最早的航空应用实例是２０世纪８０年代美国洛克 希德・马丁公司将２５％ＳｉＣＰ／６０６１Ａ１复合材料用以制 作承放仪器的支架，其比刚度较７０７５铝合金高６５％。 ２０世纪９０年代末，碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大 型客机上获得大量应用。普惠公司从ＰＷ４０８４发动机 开始，采用ＤＷＡ公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变 形铝合金基复合材料（６０９２／ＳＩＣ／１７．５ｐ—Ｔ６）制作风扇 出口导流叶片，用于采用ＰＷ４０００系列发动机的波音 ７７７客机上。 颗粒增强铝基复合材料耐冲击能力比树脂基复合 材料强，抗冲蚀能力是树脂基复合材料的７倍，且容易 发现各种损伤，并使成本下降１／３以上。 日本丰田公司首次成功地用Ａ１，０ ／Ａ１复合材料制 备发动机的活塞，重量减轻了５％～１０％，导热性提高４ 倍左右。连杆是汽车发动机中第２个成功地应用金属 基复合材料的零部件。日本Ｍａｚｄａ公司制造的Ａ１ ０ ／ Ａ１合金复合材料连杆，比钢质连杆轻３５％，抗拉强度 和疲劳强度高，分别为５６０ＭＰａ和３９２ＭＰａ；而且线性膨 胀系数小ｐ Ｊ。 ２．２ 国内铝基复合材料技术发展水平 我国较全面地开展了铝基复合材料方面的研究工 作，包括纤维增强、颗粒增强、层压复合、喷射沉积和原 位生成等方面的研究，取得了进展，正走向实用。在国 内，采用压力铸造高含量ＳｉＣｐ／ＡＩ复合材料制作基座替 代Ｗ—Ｃｕ基座、封装微波功率器件，有望在封装领域大 量替代ｗ—Ｃｕ、Ｍｏ—Ｃｕ等材料。 在强化机制与制备加工研究基础上，铝基复合材料 的研制水平逐渐成熟。举例来说，我国２０世纪９０年代 以前的铝基复合材料塑韧性与成型加工一直没有获得 突破，因此应用受到局限。通过多年研究积累，“十五” 期间我国在铝基复合材料性能与研制能力方面获得重 要突破，尽管落后于国外，但几种典型铝基复合材料（如 ＳｉＣ／Ａ１，Ａ１，Ｏ ／Ａ１）正逐渐获得航空航天、交通运输及 电子仪表等领域的认可。今后，随着研究水平稳步提高 以及新型复合材料的研发，铝基复合材料将有望在许多 领域得到应用。 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３００～３５０℃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，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。 ３铝基复合材料应用领域分析 颗粒增强铝基复合材料和纤维增强铝基复合材料 已经进人商品化应用阶段。 ３．１ 在交通运输工具中的应用 交通运输工具始终是铝基复合材料最重要的民用 领域之一。考虑到成本以及产业化应用等相关因素， 连续纤维增强铝基复合材料以及成本偏高的非连续增 强铝基复合材料就被排除在这一领域之外，廉价的颗 粒及短纤维增强铝基复合材料尚有大规模应用的可 能。 铝基复合材料在汽车工业的研究起步最早。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ＳｉＣ。／Ａ１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 ２０１５年第３期・航空制造技术８３ 先进复材技术 Ａ０ＶＡＮＣＥＤ ＣＯＭＰｏＳｌＴＥＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 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，也针对铝基复合材料在汽车上的应用方面进 行了大量的实践工作。 ３．２在航空航天领域的应用 铝基复合材料的发展使得现代航空航天领域制造 轻便灵活、性能优良的飞机和卫星等成为可能。Ｃｅｒｅａｓｔ 公司采用熔模铸造工艺研制成２０％Ｖｏｌ＋Ａ３５７ＳＩＣ复 合材料，用该材料代替钛合金制造直径达１８０ｍｍ、质量 为１７．３ｋｇ的飞机摄像镜方向架，使其成本和质量明显 降低，导热性提高。同时该复合材料还可以用来制造卫 星轮和方向架的支撑架。美国ＤＷＡ公司用２５％ ＳｉＣ ／６０６１铝基复合材料代替７０７５制造航空结构的导 槽、角材，使其密度下降了１７％，模量提高了６５％。铸 造ＳｉＣ颗粒增强Ａ３５６和Ａ３５７复合材料可以制造飞机 液压管、直升机的起落架和阀体等。 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，ＤＷＣ 特种复合材料公司制造的Ｃｒ／Ａ１复合材料应用于ＮＡＳＡ 公司的卫星导波管上，其导电性好，热胀系数小，比原来 使用的石墨／环氧树脂导波管要轻３０％左右。俄罗斯 航空材料研究所将Ｂ／Ａ１复合材料用于安一２８飞机的机 体结构上，零件质量减少２５％左右。此外，Ａｌ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／Ａ１批量用于ＥＣ一１２０和ＥＣ一１３５ 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２０ｍ的货舱 架【４】ｏ ３．３在兵器武装中的应用 近ｌ０年来，纤维价格的降低和挤压铸造、真空吸铸 及真空压渗等复合工艺的出现，使复合材料有可能用于 大批量的常规兵器中。纤维增强铝基复合材料因其良 好的综合性能，在兵器中的应用已越来越广，各先进国 家投入了大量研究工作，试制了发动机中的连杆、活塞、 战术发动机壳体、制导舵板、战斗部支撑架、军用作战桥 梁的拉力弦、架桥坦克桥体和长杆式穿甲弹弹托等。美 国陆军早在２Ｏ世纪７０年代末期就对Ａ１，Ｏ ／Ａ２０６复合 材料制造履带板进行了研究，通过采用复合材料制造履 ８４航空制造技术・２０１５年第３期 带板可使其质量从铸钢的５４４～６８０ｋｇ下降到２７２～３６２ ｋｇ，减轻近５０％。美国海军地面武器中心把ＳｉＣ／Ａ１复 合材料用于船舶结构体和舱板，还打算将这种材料用于 多种水下工程以及鱼雷、水雷的外壳。用碳化硅纤维增 强铝合金复合材料制成的跨度为３０ｍ的舟桥，质量只 有５ｔ，刚度比铝合金的高３０％。随着价格和技术问题 的不断解决，此类材料在兵器领域中的应用将会更加广 阔 ３．４在电子和光学仪器中的应用 铝基复合材料，特别是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。 在电子封装领域中应用。自２０世纪９０年代以来， 发达国家的一些公司大力发展用于电子封装的高含量 ＳｉＣ ，Ａｌ复合材料。研制电子器件封装用高导热、低热膨 胀金属基复合材料是新材料的最新研究发展动态之一。 美国已研制成功ＳｉＣ ／Ａ１、Ｓｉ ／Ａ１、Ｃ／Ａ１等高性能电子封 装用复合材料，成为解决电子器件迅速传热和散热问题 的关键。最近研制的电子封装复合材料是ＳｉＣ 含量为 ６０％～７５％的铝基复合材料。 ３．５其他应用 （１）低膨胀铝基复合材料在星载大功率多工器中 的应用。 （２）在核工业中的应用。Ｂ ｃ具有吸收中子的特性， 因此Ｂ Ｃ颗粒增强铝基复合材料在核废料存贮方面有 良好的应用前景。ＤＷＡ公司采用４１％Ｂ Ｃ ／Ａ１复合材 料制作核废料干法存贮桶，已经取得了规模应用。 （３）复合材料电线。ＥｌｅｃｔｒｉＰｌａｓｔ材料有着广泛的市 场前景，在航空航天领域，有望应用于电线电缆和除冰 系统。因为该材料的平均质量比铜轻２０％，数英里长 度的电缆质量可减轻数吨。 （４）纳微米混杂增强铝基复合材料及其应用。 该材料可广泛推广应用在民用和军用机动车辆发 动机活塞、缸体、缸盖、摇臂、刹车盘、轮箍、履带板、轻型 装甲板以及高稳定性光电仪器和精密仪器仪表零部件 制造上，也可在船舶、航空和电子器件上应用。目前，运 ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＣＯＭＰＯＳ｝ＴＥＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 先进复材技术 用该材料生产的军用高功率增压柴油机活塞已通过了 发动机８００ｈ台架试验和１．０×１０４ｋｍ跑车试验，其综合 性能优于德国马勒公司产品，完全达到进口活塞的材质 要求。 从发展趋势看，２１世纪初非连续增强铝基复合材料不 仅会成为航空航天和空间领域中不可替代的重要材料， 而且会逐步拓宽民用市场，预计在本世纪将会大批量生 产和应用。 参考文献 【１］王宇鑫，张瑜，严鹏飞，等．铝基复合材料的研究．上海有 色金属，２０１０，３ｌ（４）：１９４—１９９． （５）石墨纤维增强铝基复合材料在空间遥感器镜 筒结构中的应用。 ２０世纪６０年代，美国就采用Ｂ／Ａ１复合材料管材制 造航天飞机轨道器主骨架，较原设计的铝合金框架减重 ４５％。采用４２．２％ＰｌＯ０石墨纤维增强６０６１铝制成的 哈勃太空望远镜天线悬架是石墨纤维增强铝基复合材 料在航天器上的典型应用。 加拿大航天局分别应用碳化硅增强铝基复合材料 和铍铝合金制成的超轻激光扫描镜将用于新一代的空 间视觉系统（Ｓｐａｃｅ Ｖｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）。其他多种复合材料 在卫星的展开式天线和空间相机的反射镜上也有所应 用。 ［２］刘彦强，樊建中，桑吉梅，等．粉末冶金法制备金属基复合材 料的研究及应用．材料导报，２０１０，２４（１２）：１８—２３． ［３］刘智雄，刘荣佩，张国强．颗粒增强铝基复合材料的研究与 发展．昆明冶金高等专科学校学报，２００８，２４（５）：５—１０． 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ＷＡＳＰＡＬＯＹ．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＴｒａｎｓａｅｔｉｏｎｓＡ．１９９９，Ｖ３ＯＡ（７）：１７ ９７一ｌ８０８． 电子封装复合材料、计算机光盘及汽车刹车盘等，促进 这些工业成为新的经济增长点。其作为功能材料，可 望在机械、冶金及建材等工业部门得到更广泛的应用。 【４】张铭，何家文．丝织构对薄膜ｘ射线残余应力分析的影响．机 械工程材料，２００１，２５（５）：２１—２４． ［５］柳铭，宋瑞宏，孑Ｌ德军．用ｘ射线应力仪测量凸轮轴表面激 光淬火相变层的残余应力．机械工程材料，２００７，３１（７）：２８—３１． ４结束语 纵观国内外，对铝基复合材料的应用研究主要集 中在ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料，并且取得很大的成就。 ［６］徐传超．ｘ射线法与应变片法表征残余应力的定量关系研 究 江苏镇江：江苏大学，２０１１． 【７］张持重，李冬梅，庞绍平，等．采用ｘ射线法测算金属材料 少数国家（如美国、日本、加拿大等）已进入应用阶段， 取得了显著的经济效益。铝基复合材料的应用领域包 括在交通运输工具中的应用，在航空航天领域的应用， 在兵器武装中的应用，在电子和光学仪器中的应用等。 内部残余应力的研究．吉林化工学报，２００１，１８ｆ４１：７３ ７５． ［８］梁旭坤，袁海洋，胡永会．铝合金厚板表面边缘应力释放的 实验研究．热加工工艺，２０１２，４１（６）：１８１—１８３． １９ 唐慕尧．焊接测试技术．９１北京：机械工业出版社，１９８８． （责编小城） ２０１５年第３期・航空制造技术８５
