铝基复合材料的应用和高速加工

铝基复合材料的应用和高速加工

俞 健

富翔精密工业（昆山）有限公司 江苏省昆山市 215300

摘要：对如果说19世纪属于原材料得天下，20世纪属于加工材料的王朝，那么在对于材料要求越来越高的今天，谁能更好地拥有且正确应用由3种及3种以上性质不同的材料并通过各种高精尖工艺复合而成的复合材料，谁就准确地扼住了时代发展的喉咙，复合材料适应现代科学发展且具有强大生命力，其性能主要取决于基体合金和添加其中的增强物的特性分布以及所含比例，因此具有可塑性强应用方面广等特点，所以本篇论述旨在论述在当今科技发展迅速的今天铝基复合材料的应用和高速加工。

关键词：铝基复合材料；应用；高速加工

当今复合材料大概可分为三类^[1-2]：1.聚合物基复合材料——其是将强化物质添加到聚合物内，以增加其所需性质；2.金属基复合材料——其是以铁等及多种自然金属为基体，融合多种其他金属类物质或非金属物质以增强其所需性质；3.陶瓷基复合材料，其主要是以陶瓷为机体，并与各种纤维复合材料进行融合的一种复合材料。

首先，铝基复合材料是以铝为主要基体，在自然界众多自然金属元素中，铝在作为复合材料主体上有明显的优势，例如其质量小，密度低，可塑性高，且铝易与其他金属材料以及无机非金属材料进行融合，排异性小，容错率高，因此可以使其具有更多发展的方向，而且铝基复合材料的性能主要取决于其本身的合金基体，仅仅与其所添加的增强物特性方向，含量大小，分布位置有关，与其他不同金属复合材料相比铝基复合材料应用优势明显。

并且在我公司对铝基复合材料的进一步的研究，发现铝基复合材料因其具有高的比强度与比刚度，优良的高温力学性能，低的热膨胀系数，优良的耐磨性，所以具体优势主要体现在交通运输方面，航空航天方面，电子科技方面，军事方面的应用与产品高速加工领域。

1铝基复合材料的应用^[3]

1.1交通运输方面

铝基复合材料的探索和研究都起源于上世纪的50年代，近40年内无论是从理论研究上还是从制造技术水平上，都取得了巨大的进步，而最先应用铝基复合材料的就是交通运输领域，在交通运输领域中，如何能使汽车部件磨损更小？如何能使自身自重变得更小？如何能使所运输的货物变得更多？一直都是交通运输领域的难题，而且经众多研究发现表明，应用铝基复合材料制造零部件是其解决该问题的重要研究方向之一。

但最开始由于铝基复合材料成本过高，只能应用在一些特种车辆上面，但幸运的是后来颗粒增强性铝基复合材料以及纤维增强性铝基复合材料的成功问世，帮助其大大减小制造成本，开始正式的被众多汽车公司应用，使其正式进入商业化模式阶段。

1980年，日本公司就已经成功地用铝基复合材料制造出新型汽车发动机活塞抗膜，还在汽车连杆等汽车零部件上应用了硅酸铝纤维增强铝基复合材料，大大地提高了丰田汽车的性能，从而享誉海内外。而美国等众多汽车公司也因此灵感大发，制造了质量较原来减轻了百分之50%到70%的汽车制动盘，耐磨性更强的发动机活塞，受热膨胀系数更好的齿轮箱等汽车零部件，也大大增加了其在汽车领域的话语权，而在这一方面我国也是后来者居上 我国上海交通大学及兵器科学研究院等众多单位也对铝基复合材料制造为刹车片，刹车活塞卡钳等众多刹车系统元件也有着巨大的研究成果。

1.2航天航空领域

从上世纪美苏冷战开始，航空航天领域一直都是各国军备竞争的重要组成部分，也是彰显各国实力的重要体现，在其中如果说发动机是航空航天领域中的心脏，那么材料外壳就是其身体肌肉重要组成部分，一个人若是没有强健的体魄如何能承受住强大的心脏所迸发的动力。

而不同于陆地的是，在航空航天领域中对材料的严苛度是近乎于魔鬼式的，航空航天环境一般都是在高压高温，高真空，强腐蚀和高辐射等极端条件下的，所以他要求其应用的材料密度一定要低，而材料强度，材料刚度，材料硬度，材料耐磨度一定要高，并且还要具有相当强的抗疲劳性能，而铝基复合材料一经问世，便受到了该领域的重要关注，他相较于过去其他应用材料而言，比较符合该领域对材料的要求，其耐磨性好，高热导率和低的热膨胀系数更是让其如虎添翼，例如在美国国防部的支持下，DWA复合材料公司与洛克希德.马丁公司及空军合作，制造出了新型铝基复合材料，代替原有的2214铝合金蒙皮，将美国空军原来数百小时的战斗飞行时间延长至6000小时左右飞行时间，节约全美国空军约2300万美元经费，而且目前美国空军正将这种材料作为现役F16战斗机的使用配件，并正在逐步更换应用于全美国空军现役战斗机上，以求达到更好的战斗效果。

在太空飞行中更是如此，1985年美国采用铝基复合材料制作了大量航天材料，例如著名的卫星太阳能反射镜，激光遥感器，空间激光镜，红外探测仪等都应用了铝基复合材料作为其重要连接组成部分，在我国铝基复合材料更是大量应用，我国的资源二号卫星上就应用了铝基复合材料作为其拍摄相机元件，经有效试验证明资源二号卫星应用铝基复合材料后较原来钛合金相比质量上下降了40%，传导热上提高了近15倍，不可谓不是航空航天领域内的一巨大成就。

1.3 电子科技领域

进入21世纪以来。电子科技蓬勃发展，许多高端微电子器件更加需要较高且稳定的工作环境，例如微波雷达通讯系统，就必须将流场屏蔽，还要求机械热以及电等各组成环境稳定，面对这一难题，铝基复合材料就成为其中佼佼者，其热膨胀系数低，导热性好的特点对环境的稳态具有重要的稳定作用。

面对未来的系统及设备趋势是向着小型化，高系统化发展，而且如何在减小应用体积的同时又能增强其性能就是人们的主要研究课题，而相对而言，其系统设备所产生的热量也是远远超过了过去，所以如何散热就是是否成功的关键组成部分，这也就是所谓的电子封装领域，在这个领域内，铝基复合材料便是解决该问题的关键所在，其导热散热的高性能，能够成功的解决散热问题，帮助人们解决后顾之忧。

1.3在军事国防中的应用

近年来，我国通过强军计划，整体国家越来越重视军队武器的发展和研究，而在材料应用方面复合材料更是研究人员的主打方向，并且投入了大量的研究，我军工厂用铝基复合材料生产的军用高功率增压柴油机活塞已经通过了近9000小时的，试验数据均达到国外高功率柴油机活塞标准之上，达到出口水平；而且在战斗机群领域内我国空军的战术发动机的壳体，战斗机支撑架，军用战斗桥梁等也大量地成功的应用了大量铝基复合材料，完善其优越性能。

对比于其他国家，美国是对其铝基复合材料应用最早的国家，美国军工厂联合其他公司早在20世纪80年代末期就对铝基复合材料制造履带板进行了充分的研究，以铝基复合材料所制造的履带板，可使其重量从钢合金的700到800千克，下降到300到400千克，从而减重近50%。而且美国海军更是将铝基复合材料应用于船舶方面，进行大量的复合材料船型建造，并将这种材料应用于水下工程以及水雷，鱼雷的外壳材料设计中，甚至用强铝基复合材料制造跨度为30米的舟桥。在核工业应用中，铝基复合材料也具有重要的地位，核废料储存方面，一直都是国际核领域难题，但铝基复合材料所具备的高性能使得其也有良好的前景，在美国DWA公司采用的铝基复合材料制造的废料干法储存桶中，已经取得了一定效果，并在小规模应用，并且随着此类产品的成本和技术问题的不断解决，在兵器领域内的应用将会更加广阔。

1.4其他方面

铝基复合材料在其他方面也有着许多重要的应用，例如在输电导线方面因其具有持续性高，耐磨性好，热膨胀系数低的特点，使其经常作为导线的受力部分。

在制造自行车以及医疗器具，运动器具等高性能要求的零部件时也得到广泛的应用，例如碳纤维铝基自行车，计算机光盘等，未来前景十分可观。

2铝基复合材料高速加工

铝基复合材料常见的加工方式有粉末冶金法，压力浸渗工艺，反映自生成法，喷射沉积法以及球磨法制备纳米碳管增强铝基复合材料。

但相对而言如何在生产铝基复合材料后进行精加工，就是又一难题所在，面对这一问题，我公司经研究发现，将铝基复合材料在高转速中进行加工，有效地避免其微观上的不均匀性，最大限度地减少铝基复合材料削切加工余量，使得铝基复合材料在短时间内可以达到高速且大量精确制备的效果，从而达到弥补过去铝基复合材料精确加工难，精确加工范围小，再加工能力弱的缺点，因此我公司认为高速加工对于铝基复合材料的加工具有划时代的意义，其更深层次的研究可以帮助世界材料领域达到一种新高度。

3结语

通过我公司的一系列研究表明，铝基复合材料在未来的应用前景更加广阔，在众多领域内仍具有较高潜力被挖掘，并结合铝基复合材料高速加工模式可以使得其越来越占据材料应用中主导地位，值得被推广研究。

参考资料

1. 聂俊辉,樊建中,魏少华,刘彦强.航空用粉末冶金颗粒增强铝基复合材料研制及应用[J].航空制造技术,2017(16):26-36.

2. [2]张育铭. 碳纤维增强铝基复合材料制备及性能研究[D].兰州理工大学,2016.

3. [3]孔亚茹,郭强,张荻.颗粒增强铝基复合材料界面性能的研究[J].材料导报,2015,29(09):34-43+49.