5.3.3 晶须增强铝基复合材料的应用
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。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。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。
1）航空航天
金属基复合材料具有轻质、高的比强度、高的比模量、良好的高温性能、低的热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性等优点，因此在军事工业和航空航天领域中得到了广泛的应用。铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类，其中颗粒增强铝基复合材料已进入型号验证。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。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%。1985年美国确立SiC/Al复合材料为继铝合金、铍合金之后的第三代航天惯性器件，1985年以后这种材料迅速应用到航天飞机、航空器的零部件上。1987—1988年，美国ACMC公司与亚利桑那大学光学研究中心合作，采用SiC颗粒增强铝基复合材料研制成超轻量化（ULW）空间望远镜（包括结构桁架部件与反射镜），ACMC公司的碳化硅颗粒增强铝基复合材料还用于激光反射镜、卫星太阳能反射镜、空间遥感器中扫描用高速摆镜等，同时颗粒增强铝基复合材料还应用在金属镜光学系统如红外探测器、空间激光镜，美国用高体积分数的颗粒增强铝基复合材料作为惯性导向球及其管形测量单元的检查口盖；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20 m的货舱架。铝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/Al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-120和EC-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。英国航天金属基复合材料公司（AMC）的SiC/Al复合材料，已成功地应用于法国Eurocopter公司生产的EC-120新型民用直升机；美国DWA公司的SiC/6061Al复合材料仪表支架已用于助kcheed飞机上的电子设备，BP公司研制的SiC/Al自行车框架也已经在Raleigh's赛车上使用；美国NASA的Lewis研究中心用晶须增强B/AL复合材料制造的发动机风扇叶片具有质量轻，刚性高；美国DWA公司用25%SiCp/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。DWA公司用SiC颗粒增强6092铝基复合材料代替铝合金，大规模用于F16战斗机的垂直尾翼，提高寿命17倍，并降低成本33%。如用于F-16战斗机作为腹鳍代替铝合金，其刚度和寿命大幅度提高。碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，成功地用于制作人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜、人造卫星抛物面天线等；碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损的特点，可用于制作火箭、导弹构件，红外及激光制导系统构件，精密航空电子器件等。Cereast公司采用熔模铸造工艺研制成A357SiC复合材料，用该材料代替钛合金制造直径达180 mm、质量为17.3 kg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反动轮和方向架的支撑架。俄罗斯航空材料研究所将B/Al复合材料用于安-28飞机的机体结构上，零件质量减少25%左右。于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（图5.7），用在采用PW4000系列发动机的波音777客机上（图5.8）。
图5.7 用于航空发动机风扇出口导流叶片
图5.8 碳化硅增强铝基复合材料航空领域应用实例
2）在兵器武装中的应用
近10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20世纪70年代末期就对Al2O3/A2O6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带板可使其质量从铸钢的544～680 kg下降到272～362 kg，减轻近50%。美国海军地面武器中心把SiC/Al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30 m的舟桥，质量只有5 t，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）在交通运输工具中的应用
在汽车工业的研究起步最早。日本丰田公司1983年首次成功地用Al2O3/Al复合材料制备了发动机活塞，与原来的铸铁发动机活塞相比，质量减轻了5%～10%，热导性提高了4倍；丰田公司还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、汽车连杆等汽车零部件（图5.9）。美国的Duralcan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。同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，也针对铝基复合材料在汽车上的应用方面进行了大量的实践工作。我国研发的纳微米混杂增强铝基复合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800 h台架试验和1.0×104 km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。
图5.9 丰田汽车发动机(https://www.daowen.com)
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。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。
20世纪60年代，美国就采用B/Al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%P100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。复合材料在卫星的展开式也有所应用，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，其他多种树脂基碳纤维复合材料还被用来制造空间天线和空间相机的反射镜、遮光罩、镜筒和底板。北京航空材料研究院采用无压浸渗复合方法制备了用作空间光机结构件的高体份SiC/Al复合材料，北京空间机电研究所曾经采用非连续碳化硅增强铝基复合材料（SiCp/Al）制造空间相机的镜盒和镜身。
5）在电子封装领域中的应用
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SiCp/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SiCp/Al、Sip/Al、C/Al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SiCp含量为60%～75%的铝基复合材料；石墨纤维增强铝基复合材料也在空间遥感器镜筒结构中得到应用。
6）在核工业中的应用
B4C具有吸收中子的特性，因此B4C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%B4Cp/Al复合材料制作核废料干法存储桶，已经取得了规模应用。
7）在体育运动中的应用
可以代替木材及金属材料来制作网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪板等，广泛应用于体育运动领域。用SiC颗粒增强铝基复合材料制作的自行车链齿轮质量轻、刚度高、不易挠曲变形，性能优于铝合金链齿轮。
8）其他应用
连续氧化铝纤维增强铝基复合芯输电导线以其质量轻、强度大、蠕变小及线膨胀系数小等优点，逐渐被研究人员重视。连续氧化铝纤维增强铝基复合材料是首次应用于输电导线，作为导线的承力部分。导电性复合塑料有着广泛的市场前景，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%，数千米长度的电缆质量可减轻数吨。