5.3.1 晶须增强铝基复合材料的研究和发展
铝基复合材料的研究开始于20世纪50年代，近20年来无论从理论上还是技术上都取得了较大进步。各国在研发上都投入了大量的人力物力，它是金属基复合材料中被研究最多和最主要的复合材料。目前开发的铝基复合材料主要有SiC/Al、B/Al、BC/Al、Al2O3/Al等，其中，B/Al复合材料发展最快，目前美国能制造2 m以上的各种B/Al型材、管材等，这些材料用于航空器上，可使质量减轻20%。铝基复合材料已经广泛用于制造歼灭机、直升机等大飞机的机翼、方向舵、襟翼、机身及蒙皮等部件。美国麦道公司在F-15战斗机上使用1.8～2.25 t纤维增强铝基复合材料（FRM），使战斗机质量减轻2%。苏联航空材料研究所把硼纤维增强铝基复合材料用于安-28、安-72型飞机机体结构上，在提高可靠性的同时，零件质量减轻25%～40%。但长期以来，由于铝基复合材料还存在着制备工艺复杂，对环境和设备要求严格，成本很高等缺点，因此，其应用还不普遍。
最早采用粉末冶金生产颗粒增强铝基复合材料的厂家主要有三大公司：美国的DWA Aluminum Composite、Alyn公司和英国的Aerospace Metal 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。
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/6061Al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%。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Al2O3/Al复合材料制备发动机的活塞，质量减轻了5%～10%，导热性提高4倍左右。连杆是汽车发动机中第二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Al2O3/Al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560 MPa和392 MPa；而且线性膨胀系数小。
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/Al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。我国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/Al，Al2O3/Al）正逐渐获得航空航天、交通运输及电子仪表等领域的认可。如：仪表级SiC/Al复合材料保障了惯性器件和空间光学装备精度的跃升，高精度惯性仪表零件要求在长期时效、温度扰动、振动冲击等环境下保持尺寸形状不发生纳米量级的变化，而铝合金、钛合金均难以满足要求。基于惯性器件服役环境下的材料响应特性分析结果，提出了金属基复合材料稳定化设计原理，包括组织稳定、相稳定、应力稳定、结构热稳定等。我国研制的仪表级SiC/Al复合材料，在温度扰动、振动冲击、长期静载荷下的关键性能指标优于进口铍材；用于液浮陀螺样机，随机漂移精度达到目前国内最高精度指标；制造的空间运动光学系统应用于卫星激光通信指向机构，整机减重36.8%、刚度提升53.3%、基频提高62.0%，实现了设计精度要求且保障了精度的天地一致性。国外在相关精密零件上使用铍材或者铍铝合金，我国则探索出一条精密零件材料的低成本、高性能的技术途径；第三代半导体材料GaN的功率密度、热流密度较第二代GaAs材料高出2～3倍，而目前先进的第三代热管理材料Sip/Al、SiCp/Al的热导率仅能达到220 W/（m·K），远不能满足GaN的散热要求，因此热管理材料已成为GaN芯片的发展瓶颈。(https://www.daowen.com)
2017年，国家重点研发计划设立了“战略性先进电子材料”重点专项，支持开展新型高效导热材料的制备与性能调控技术研究。哈尔滨工业大学采用压力浸渗方法，成功解决了界面反应难题，稳定制备出热导率不低于650 W/（m·K）的金刚石/Al复合材料，用于GaN芯片热沉后使结温降低18.6℃、可靠性增长50%，目前金刚石/Al复合材料已批产用于卫星海量处理器等大功率器件；哈尔滨工业大学率先发明了TiB2/Al自润滑复合材料。在材料制备过程中，先将微纳米尺寸的TiB2颗粒预氧化，使表面生成B2O3；再采用自排气压力浸渗技术制备，获得界面均匀分布B2O3的TiB2/Al复合材料。摩擦磨损过程中B2O3与空气中的水分反应生成H2BO3，而H2BO3是优于石墨的优异润滑剂，起到减磨作用。将TiB2/Al材料应用于缝纫机滑动轴承，可以突破喷油润滑的复杂连杆机构和相应传动系统的传统设计，而直接由伺服电机驱动缝纫机，相关产品通过了应用环境考核。
2020年，我国核电规划的装机总容量约为5.8×107 kW。随着核电站建设和使用数量的增加，大量乏燃料运输和核废料安全处置问题成为当务之急。在传统的中子屏蔽材料中，含硼聚乙烯在辐照环境下易脆化，且不能在高温下使用；硼钢中的10B易形成脆性网状硼化物，降低材料韧性。哈尔滨工业大学研制的超高屏蔽效能的B/Al复合材料，与传统硼钢相比，在相近的屏蔽效能下，质量减轻到原来的1/30、厚度减小为原来的1/10，突破了传统中子屏蔽材料的性能极限。B/Al复合材料在核反应堆的实验装置上获得成功应用，从而为新一代轻量化、小型化核防护结构设计提供了新型材料方案；Cf/Al成为航天飞行器高刚度精密结构件的新型材料，通过基体合金成分调整，使界面产物由有害的Al4C3转变为可强化的β相Al3Mg2，低成本地解决了Cf/Al复合材料横向强度问题。Cf/Al复合材料已经用于复杂薄壁舱体结构，显示出优异的静态和动态力学特性，解决了对质量、强度、刚度、空间耐候性等综合性能有着严格要求的航天结构件材料选用问题；SiCf/Ti复合材料是适用于600～800℃高温的轻质结构的理想材料，可以大幅减少结构质量，在航空航天领域应用前景广阔。与钛合金相比，SiCf/Ti复合材料具有良好的高温性能、抗蠕变和抗疲劳性能，减重增强效果明显，是新一代航空发动机的良好材料。
北京航空材料研究院、西北工业大学、中国航空制造技术研究院和中国科学院金属研究所在SiCf/Ti复合材料研究方面分别获得技术突破。中国科学院金属研究所提出气体还原清洗技术和基于气流控制的温度调控技术，生产的W芯SiC纤维强度大于3 800 MPa，在1000℃以下环境基本保持稳定；实现批量化生产，典型结构件通过强度考核；所制备的SiCf/Ti复合材料结构件，如全尺寸整体叶环，室温实验最高转速可达15 000 r/min，达到预期效果；通过多尺度和梯度结构设计，发挥陶瓷密度低、抗侵彻能力高和金属高韧性的特性，制备的高抗侵彻能力梯度B4C/Al复合材料，实验表明，相比于现役金属装甲，在相同抗弹能力下，面密度降低50%以上，可以抗多次打击，解决了传统陶瓷装甲破碎严重而不能抵抗多次冲击的问题，为提升装甲车辆的作战机动性和快速反应能力提供了全新的材料技术方案。
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。
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，并且取得了很大的成就。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。