碳化矽顆粒增強鋁基復合材料研究現狀及發展 論文壹篇，要綜述性的東西，不能有實驗和計算內容。
摘要：綜述了鋁基復合材料的發展歷史及國內外研究現狀，重點闡述了碳化矽顆粒增強鋁基復合材料制備工藝的
發展現狀。同時說明了碳化矽顆粒增強鋁基復合材料研究中仍存在的問題，在此基礎上展望了該復合材料的發展前景。
關鍵詞：SiCp /Al 復合材料； 制備方法
中圖分類號：TB333 文獻標識碼：A 文章編號：1001-3814(2011)12-0092-05
Research Status and Development Trend of SiCP/Al Composite
ZHENG Xijun, MI Guofa
(College of Material Science and Engineer, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)
Abstract：The development history, domestic and foreign research present situation of SiCP /Al composite was
introduced, the research progress of preparation process for SiCP /Al composite were elaborated, the research on SiCP /Al
composite was analyzed and the development prospect of the composite was put forward.
Key words：SiCp /Al composite; preparation methods
收稿日期:2010-11-20
作者簡介:鄭喜軍(1982- ),男,河南西平人,碩士研究生,研究方向為材
料加工工程;電話:0391-3987472;E-mail:zxjdaili@126.com
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下半月出版Material & Heat Treatment 材料熱處理技術
應用進行了廣泛的關註和研究，從材料的制備工藝、
組織結構、力學行為及斷裂韌性等方面做了許多基
礎性的工作， 取得了顯著的成績。在美國和日本等
國，該類材料的制備工藝和性能研究已日趨成熟，在
電子、軍事領域開始得到實際應用。SiC 來源於工業
磨料，可成百噸的生產，價格便宜，SiC 顆粒強化鋁基
復合材料被美國視為有突破性進展的材料， 其性能
可與鈦合金媲美，而價格還不到鈦合金的1/10。碳化
矽顆粒增強鋁基復合材料是最近20 年來在世界範
圍內發展最快、應用前景最廣的壹類不連續增強金
屬基復合材料，被認為是壹種理想的輕質結構材料，
尤其在機動車輛發動機活塞、缸頭(缸蓋)、缸體等關
鍵產品和航空工業中具有廣闊的應用前景[5-7]。
在1986 年，美國DuralAluminumComposites 公
司發明了碳化矽顆粒增強鋁矽合金的新技術， 實現
了鑄造鋁基復合材料的大規模生產， 以鑄錠的形式
供給多家鑄造廠制造各種零件[8-9]。美國Duralcan 公
司在加拿大己建成年產11340 t 的SiC/Al 復合材料
型材、棒材、鑄錠以及復合材料零件的專業工廠。目
前，Duralcan 公司生產的20%SiCp /A356Al 復合材
料的屈服強度比基體鋁合金提高75%、彈性模量提
高30%、熱膨脹系數減小29%、耐磨性提高3～4
倍。美國DWA 公司生產的碳化矽增強復合材料隨
碳化矽含量的增加，只有伸長率下降的，其他性能都
得到了很大提高。到目前為止，SiCp/Al 復合材料被
成功用於航空航天、電子工業、先進武器系統、光學
精密儀器、汽車工業和體育用品等領域，並取得巨大
經濟效益。表1 列舉了壹些SiCp/Al 復合材料的力
學性能。
目前國內從事研制與開發碳化矽顆粒增強鋁復
合材料工作的科研院所與高校主要有北京航空材料
研究院、上海交通大學、哈爾濱工業大學、西北工業
大學、國防科技大學等。哈爾濱工業大學研制的
SiCw/Al 用於某衛星天線絲桿，北京航空材料研究院
研制的SiCp/Al 用於某衛星遙感器定標裝置[10-11]。
國內到目前為止還沒有出現高質量高性能的碳
化矽顆粒增強鋁基復合材料， 雖然部分性能已達到
國外產品的指標， 但在產品的尺寸精度上還存在不
小的差距，另外制造成本太高，離工業化生產還有壹
段距離要走。
2 鋁基復合材料的性能特征
(1)高比強度、比模量由於在金屬基體中加入
了適量的高強度、高模量、低密度的增強物，明顯提
高了復合材料的比強度和比模量， 特別是高性能連
續纖維，如硼纖維、碳(石墨)纖維、碳化矽纖維等增
強物，他們具有很高的強度和模量[1]。
(2)良好的高溫性能，使用溫度範圍大增強纖
維、晶須、顆粒主要是無機物，在高溫下具有很好的
高溫強度和模量， 因此金屬基復合材料比基體金屬
有更高的高溫性能。特別是連續纖維增強金屬基基
復合材料，其高溫性能可保持到接近金屬熔點，並比
金屬基體的高溫性能高許多。
(3)良好的導熱、導電性能金屬基復合材料中
金屬基體占有很高的體積百分數， 壹般在60%以
上，因此仍保持金屬的良好的導熱、導電性能。
(4)良好的耐磨性金屬基復合材料，特別是陶
瓷纖維、晶須、顆粒增強金屬基復合材料具有很好的
耐磨性。這是由於在基體中加入了大量細小的陶瓷
顆粒增強物，陶瓷顆粒硬度高、耐磨、化學性能穩定，
用它們來增強金屬不僅提高了材料的強度和剛度，
也提高了復合材料的硬度和耐磨性。
(5)熱膨脹系數小，尺寸穩定性好金屬基復合
材料中所用的增強相碳纖維、碳化矽纖維、晶須、顆
粒、硼纖維等均具有很小的熱膨脹系數，特別是超高
模量的石墨纖維具有負熱膨脹系數， 加入相當含量
的此類增強物可降低材料膨脹系數， 從而得到熱膨
脹系數小於基體金屬、尺寸穩定性好的金屬基復合
材料。
(6)良好的抗疲勞性和斷裂韌性影響金屬基復
合材料抗疲勞性和斷裂韌性的因素主要有增強物與
復合體系制備工藝
增強體含量
(vol,%)
拉伸強度
/MPa
彈性模量
/GPa
伸長率
(%)
SiCP /2009Al 粉末冶金20 572 109 5.3
SiCP/2124Al 粉末冶金20 552 103 7.0
SiCP/6061Al 粉末冶金20 496 103 5.5
SiCP/7090Al 粉末冶金20 724 103 2.5
SiCP/6061Al 粉末冶金40 441 125 0.7
SiCP/7091Al 粉末冶金15 689 97 5.0
SiCP/A356Al 攪拌鑄造20 350 98 0.5
SiCP/A359Al 無壓浸滲30 382 125 0.4
表1 碳化矽顆粒增強鋁基復合材料的力學性能[1]
Tab.1 Mechanical properties of aluminum matrix
composite reinforced by SiC particle
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材料熱處理技術Material & Heat Treatment 2011 年6 月
金屬基體的界面結合狀態、金屬基體與增強物本身
的特性以及增強物在基體中的分布等。特別是界面
結合強度適中，可以有效傳遞載荷，又能阻止裂紋擴
展，從而提高材料的斷裂韌性。
(7)不吸潮、不老化、氣密性好與聚合物相比，金
屬性質穩定、組織致密，不存在老化、分解、吸潮等問
題，也不會發生性能的自然退化，在空間使用不會分解
出低分子物質而汙染儀器和環境，有明顯的優勢。
(8)較好的二次加工性能可利用傳統的熱擠壓、
鍛壓等加工工藝及設備實現金屬基復合材料的二次
加工。由於鋁基復合材料不但具有金屬的塑性和韌
性，而且還具有高比強度、比模量、對疲勞和蠕變的
抗力大、耐熱性好等優異的綜合性能。尤其在最近
20 年以來， 鋁基復合材料獲得了驚人的發展速度，
表2 列舉了壹些鋁基復合材料的力學性能。
3 主要應用領域
3.1 在航空航天及軍事領域的應用
美國ACMC 公司和亞利桑那大學光學研究中
心合作，研制成超輕量化空間望遠鏡和反射鏡，該望
遠鏡的主鏡直徑為0.3m，僅重4.54kg。ACMC 公司
用粉末冶金法制造的碳化矽顆粒增強鋁基復合材料
還用於激光反射鏡、衛星太陽反射鏡、空間遙感器中
掃描用高速擺鏡等；美國用高體積分數的SiCp/Al代
替鈹材，用於慣性環形激光陀螺儀制導系統、三叉戟
導彈的慣性導向球及管型測量單元的檢查口蓋，成
本比鈹材降低2/3；20 世紀80 年代美國洛克希德.馬
丁公司將DWA 公司生產的25%SiCp /6061Al 用作
飛機上承載電子設備的支架，其比剛度比7075 鋁合
金約高65%；美國將SiCp/6092Al 用於F-16 戰鬥機
的腹鰭， 代替原有的2214 鋁合金蒙皮， 剛度提高
50%，壽命從幾百小時提高到8000 小時左右，壽命
提高17 倍，可大幅度降低檢修次數，提高飛機的機
動性，還可用於F-16 的導彈發射軌道；英國航天金
屬及復合材料公司(AMC)采用高能球磨粉末冶金法
研制出高剛度﹑ 耐疲勞的SiCp/2009Al， 成功用於
Eurocopter 公司生產的N4 及EC-120 新型直升
機[12]；采用無壓浸滲法制備的高體積分數SiCp/Al 作
為印刷電路板芯板用於F-22“猛禽”戰鬥機的遙控
自動駕駛儀、發電元件、飛行員頭部上方顯示器、電
子計數測量陣列等關鍵電子系統上， 以代替包銅的
鉬及包銅的鍛鋼，可使質量減輕70%，同時降低了
電子模板的工作溫度；SiCp/Al 印刷電路板芯板已用
於地軌道全球移動衛星通信系統； 作為電子封裝材
料，還可用於火星“探路者”和“卡西尼”土星探測器
等航天器上。美國采用高體積分數SiCp /Al 代替
Cu-W 封裝合金作為電源模塊散熱器，已用於EV1 型
電動轎車和S10 輕型卡車上；美國將氧化反應浸滲法
制備的SiC-Al2O3/Al 作為附加裝甲，用於“沙漠風暴”
地面進攻的裝甲車；美國GardenGrove 光學器材公司
用SiCp/Al 制備Leopardl 坦克火控系統瞄準鏡。
3.2 在汽車工業中的應用
由山東大學與曲阜金皇活塞有限公司聯合研制
的SiCp /Al 活塞已用於摩托車及小型汽車發動機；
自20 世紀90 年代以來， 福特和豐田汽車公司開始
采用Alcan 公司的20%SiC/Al-Si 來制作剎車盤；美
國Lanxide 公司生產的SiCp/Al 汽車剎車片於1996
年投入批量生產[13]；德國已將該材料制作的剎車盤
成功應用於時速為160km/h 的高速列車上。整體采
用鍛造的SiCp/Al 活塞已成功用於法拉利生產的壹
級方程式賽車。
3.3 在運動器械上的應用
BP 公司研制的20%SiCp/2124Al 自行車框架已
在Raleigh 賽車上使用；SiCp /Al 復合材料可應用於
自行車鏈輪、高爾夫球頭和網球拍等高級體育用品；
在醫療上用於假體的制造。
4 制備及成型方法
壹般來說， 根據鋁基體狀態的不同，SiCp/Al 的
制備方法大致可分為固態法和液態法兩類。目前主
要有粉末冶金法、噴射沈積法、攪拌鑄造法和擠壓鑄
造法。
4.1 粉末冶金法
粉末冶金法又稱固態金屬擴散法，該方法由於克
增強相/ 基體增強相含量
拉伸強度
/MPa
彈性模量
/GPa
伸長率(%)
SiC/Al-4Cu 15 476 92 2.3
SiCp /ZL101 20 375 101 1.64
SiCp /ZL101A 20 330 100 0.5
SiCp /6061 25 517 114 4.5
SiCp /2124 25 565 114 5.6
Al2O3 /Al-1.5Mg 20 226 95 5.9
Cf /Al 26 387 112 -
表2 金屬基復合材料的力學性能[1]
Tab.2 Mechanical properties of metal matrix composite[1]
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服了碳化矽顆粒與鋁合金熔液潤濕困難的缺點，因而
是最先得到發展並用於SiCp/Al 的制備方法之壹。具
體制備SiCp/Al 的粉末冶金工藝路線有多種，目前最
為流行和典型的工藝流程為：碳化矽粉末與鋁合金粉
末混合壹冷模壓(或冷等靜壓)壹真空除氣壹熱壓燒
結(或熱等靜壓)壹熱機械加工(熱擠、軋、鍛)。
粉末冶金法的優點在於碳化矽粉末和鋁合金粉
末可以按任何比例混合，而且配比控制準確、方便。
粉末冶金法工藝成熟，成型溫度較低，基本上不存在
界面反應、質量穩定，增強體體積分數可較高，可選
用細小增強體顆粒。缺點是設備成本高，顆粒不容易
均勻混合，容易出現較多孔隙，要進行二次加工，以
提高機械性能，但往往在後續處理過程中不易消除；
所制零件的結構、形狀和尺寸都受到壹定的限制，粉
末冶金技術工藝程序復雜，燒結須在在密封、真空或
保護氣氛下進行， 制備周期長， 降低成本的可能性
小，因此制約了粉末冶金法的大規模應用。
4.2 噴射沈積法
噴射沈積法是1969 年由Swansea 大學Singer
教授首先提出[14]，並由Ospray 金屬有限公司發展成
工業生產規模的制造技術。該方法的基本原理是：對
鋁合金基體進行霧化的同時，加入SiC 增強體顆粒，
使二者***同沈積在水冷襯板上， 凝固得到鋁基復合
材料。該工藝的優點是增強體與基體熔液接觸時間
短，二者反應易於控制；對界面的潤濕性要求不高，
可消除顆粒偏析等不良組織， 組織具有快速凝固特
征；工藝流程短、工序簡單、效率高，有利於實現工業
化生產。缺點是設備昂貴，所制備的材料由於孔隙率
高而質量差必須進行二次加工， 壹般僅能制成鑄錠
或平板； 大量增強顆粒在噴射過程中未能與霧化的
合金液滴復合， 造成原材料損失大， 工藝控制較復
雜，增強體顆粒利用率低、沈積速度較慢、成本較高。
4.3 攪拌鑄造法
攪拌鑄造法的基本原理[15-17]：依靠強烈攪拌在合
金液中形成渦漩的負壓抽吸作用， 將增強體顆粒吸
入基體合金液體中。具體工藝路線：將顆粒增強體加
入到基體金屬熔液中， 通過壹定方式的攪拌與壹定
的攪拌速度使增強體顆粒均勻地分散在金屬熔體
中，以達到相互混合均勻與浸潤的目的，復合成顆粒
增強金屬基復合材料熔體。然後可澆鑄成錠坯、鑄件
等使用。該方法的優點是：工藝簡單、設備投資少、生
產效率高、制造成本低、可規模化生產。缺點是：加入
的增強體顆粒粒度不能太小， 否則與基體金屬液的
浸潤性差， 不易進入金屬液或在金屬液中容易團聚
和聚集；普遍存在界面反應，強烈的攪拌容易造成金
屬液氧化，大量吸氣及夾雜物混入，顆粒加入量也受
到壹定限制，只能制成鑄錠，需要二次加工。
4.4 擠壓鑄造法
擠壓鑄造法是首先把SiC 顆粒用適當的粘結劑粘
結，制成預制塊放入澆註模型中，預熱到壹定的溫度，
然後澆入基體金屬液，立即加壓，使熔融的金屬熔液浸
滲到預制塊中，最後去壓、冷卻凝固形成SiCp/Al。該方
法的優點是：設備較簡單且投資少，工藝簡單且穩定
性較好，生產周期短，易於工業化生產，能實現近無余
量成型，增強體體積分數較高，基本無界面反應。缺點
是容易出現氣體或夾雜物，缺陷比較多，需增強顆粒
需預先制成預成型體， 預成型體對產品質量影響大，
模具造價高，而且復雜零件的生產比較困難。
5 SiCp /Al 復合材料發展的建議與對策
SiCp /Al 復合材料作為壹種新的結構材料有著
廣闊的發展前景, 但要實現產業化還需做大量的研
究工作。除了要對SiCp/Al 復合材料的制備工藝、界
面結合狀態、增強機制等方面的內容做進壹步研究，
其相關領域的研究及發展也應給予重視。
5.1 現有制備工藝進壹步完善和新工藝的開發
現有工藝制備方法雖然已經成功制造了復合材
料，但很難用於工業化生產且尚處於實驗室研究階
段[18]。SiC 顆粒存在於鋁液中，使金屬液粘度提高，流動
性降低，鑄造時充填性變差，當顆粒含量增加至20%或
在較低溫度(<730℃)時，流動性急劇降低以致於無法正
常澆註。另外，SiC顆粒具有較大的表面積， 表面能較
大，易吸附氣體並帶入金屬液中，而金屬液粘度大也易
卷入氣體並難以排出，產生氣孔缺陷。因此，對現有工
藝的進壹步完善和新工藝的開發成為下壹步研究工作
的主要任務。
5.2 後續加工工藝的研究
金屬基復合材料的切削加工、焊接、熱處理等後
續加工工藝的研究較少，成為限制其應用的瓶頸。高
強度、高硬度增強體的加入使金屬基復合材料成為
難加工材料[18-19]，而由於增強體與基體合金的熱膨脹
系數差異大引起位錯密度的提高， 也使金屬基復合
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材料的時效行為與基體合金有所不同[20]。另外，增強
體影響焊接熔池的粘度和流動性， 並與基體金屬發
生化學反應限制了焊接速度， 給金屬基復合材料的
焊接造成了極大困難。因此， 解決可焊性差的問題
也成為進壹步研究的主要方向。
5.4 環境性能方面的改善
金屬基復合材料的環境性能方面的研究， 即如
何解決金屬基復合材料與環境的適應性， 實現其廢
料的再生循環利用也引起了壹些學者的重視， 這個
問題關系到有效利用資源，實現社會可持續發展，因
此， 關於環境性能方面的研究將是該領域今後研究
的熱點。由於鋁基復合材料是由兩種或兩種以上組
織結構、物理及化學性質不同的物質結合在壹起形
成壹類新的多相材料， 其回收再利用的技術難度要
比傳統的單壹材料大得多。隨著鋁基復合材料的批
量應用，必然面臨廢料回收的問題，通過對復合材料
的回收再利用， 不但可減少廢料對環境的汙染還可
減低鋁基復合材料的制備成本、降低價格，增加與其
他材料的競爭力，有利於促進自身的發展。文獻[21]
配制了混合鹽溶劑， 采用熔融鹽法成功地分離出顆
粒增強鋁基復合材料中的增強材料，研究結果表明，
利用該技術處理顆粒增強鋁基復合材料， 其回收利
用率可達85%。
6 結語
與鋁合金基體相比， 鋁基復合材料具有更高的
使用溫度、模量和強度，熱穩定性增加及更好的耐磨
損性能，它的應用將越來越廣泛。然而，在目前的
研究中仍然存在許多疑問和有待解決的問題， 例如
怎樣去克服鋁基復合材料突出的界面問題， 並且力
求研究結果有助於改善生產應用問題； 在制備過程
前後， 怎樣通過熱處理手段來改善成品的各方面性
能；如何利用由於熱失配造成的內、外應力使材料服
役於各種環境。此外，原位反應中仍不免其他副反應
夾雜物存在， 同時對增強體的體積分數也難以精確
控制，這些都是亟待研究解決的問題。
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