一、背景
       近年來，隨著汽車工業(yè)、航空宇航、電子通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，要求作為這些行業(yè)基礎(chǔ)的材料除具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等基礎(chǔ)性能外，還對(duì)材料的比重、韌性、耐磨、耐蝕、光電等性能提出了更多種要求。 　　對(duì)于單一材料來說往往不能很好的滿足諸多性能的要求，就需要把不同性能的材料組合起來，制備成復(fù)合材料，使的材料間取長(zhǎng)補(bǔ)短。復(fù)合材料是用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種及兩種以上組分或組元，通過人工復(fù)合，組成多相、三維結(jié)合且各相之間有明確界面的，具有特殊性能的材料[1]。復(fù)合材料的最大優(yōu)點(diǎn)是材料的性能具有可設(shè)計(jì)性。材料的設(shè)計(jì)自由度高，所以進(jìn)展迅猛。 　
       金屬基復(fù)合材料(Metal Matrix Composites，簡(jiǎn)稱MMCs)除了具有高比強(qiáng)度、高比模量和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)外，還有能耐更高溫度、防燃、橫向強(qiáng)度和剛度高、不吸潮、高導(dǎo)熱與導(dǎo)電率，抗輻射性能好、在使用時(shí)不放出氣體等優(yōu)點(diǎn)，顯示了樹脂基復(fù)合材料不可比擬的特點(diǎn)，因此得到了國(guó)內(nèi)外研究者的高度重視，尤其是受到航空航天部門的青睞[2,3]。 　　碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)度和比模量，是航空航天等對(duì)構(gòu)件質(zhì)量要求苛刻的高技術(shù)領(lǐng)域理想的結(jié)構(gòu)材料[2]。近年來，伴隨著高性能碳纖維的出現(xiàn)，以及因產(chǎn)量擴(kuò)大而成本降低，對(duì)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備及應(yīng)用受到廣泛重視[4]。 　　
二、 碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 　 
       1、碳纖維 　　
       碳纖維是一種碳含量超過90%的纖維狀碳材料，碳纖維同時(shí)具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能[9]。常用的碳纖維按原絲來源可分為粘膠纖維、PAN基(聚丙烯腈)纖維和瀝青纖維。粘膠纖維的強(qiáng)度低、楊氏模量也低，但是由于成本低，仍然用于某些復(fù)合材料的制造[7]。PAN基碳纖維性能較好，但價(jià)格較高，主要用于對(duì)性能要求極高的航空航天領(lǐng)域。瀝青類碳纖維與PAN基碳纖維相比，具有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在汽車、機(jī)械電子等領(lǐng)域顯示出較好的應(yīng)用前景[8]。 　
　     2、碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 　
　    近年來在金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，鋁基復(fù)合材料的發(fā)展尤為迅速。這不僅因?yàn)樗哂幸幌盗袃?yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)樵谑澜绶秶鷥?nèi)有豐富的資源，加之可用常規(guī)設(shè)備和工藝加工成型和處理，因而制備和生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料比其他金屬基復(fù)合材料更為經(jīng)濟(jì)，易于推廣和應(yīng)用。 　　目前，制備Cf/Al復(fù)合材料的基體鋁合金主要選用Al-Mg-Si系和Al-Cu-Mg系等可熱處理強(qiáng)化的合金。最新應(yīng)用的防銹鋁LF6，系鎂含量高的Al—Mg合金，可焊性、抗蝕性良好，強(qiáng)度中低，冷變形可提高強(qiáng)度，適于制造中載構(gòu)件，液體容器、管道等零件。 　
三、 Cf/Al復(fù)合材料的制備工藝 　　碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制造方法[8]主要有: 　
　    1、 熔融浸潤(rùn)法 　
　    用液態(tài)鋁及鋁合金浸潤(rùn)纖維束，使每根纖維被熔融金屬潤(rùn)濕后除去多余的金屬而得到復(fù)合絲，再經(jīng)擠壓而制得復(fù)合材料。其缺點(diǎn)是熔融鋁及鋁合金可能會(huì)對(duì)纖維性能造成損傷。 　　
        2、 擠壓鑄造法 　　
       使熔融鋁及鋁合金強(qiáng)制壓入內(nèi)置纖維預(yù)制件的固定模腔，壓力一直施加到凝固結(jié)束，使金屬液態(tài)到凝固均處于高壓下。擠壓鑄造法因高壓改善了金屬熔體的浸潤(rùn)性，所制得復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維與鋁及鋁合金間的反應(yīng)最小，沒有空隙和縮孔等常規(guī)鑄造缺陷。 　
　    3、擴(kuò)散粘結(jié)法 　
　   鋁箔與經(jīng)表面處理后浸潤(rùn)鋁液的碳纖維絲或復(fù)合絲或單層板按規(guī)定的次序疊層，在真空或惰性氣體條件下經(jīng)高溫加壓擴(kuò)散粘結(jié)成型以得到鋁基復(fù)合材料的制造方法。 　
　    4、 粉末冶金法
　　采用等離子噴濺法在排列好的增強(qiáng)纖維上噴涂金屬鋁粉，或把金屬鋁粉分散在丙烯酸樹脂進(jìn)行涂敷，制成預(yù)制板，將其交替重疊后在真空或氬氣中，在接近鋁熔點(diǎn)溫度下加壓燒結(jié)以獲得纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
　　5、 真空壓力浸滲法 　
　   采用真空壓力浸漬法時(shí), 先將放入模具內(nèi)的增強(qiáng)預(yù)成型體抽真空，然后施加壓力將熔融的金屬液體壓入模具內(nèi)復(fù)合，冷卻后得到制件。 　　該方法雖然存在設(shè)備昂貴及工件尺寸有限的缺點(diǎn)，但對(duì)小型制件而言，卻有不少可取之處，因?yàn)槌擞性鰪?qiáng)體的范圍大、制品質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)外，還可以實(shí)現(xiàn)近似無余量成型，特別適合于復(fù)雜精密的制件[2]。 　
四、真空壓力浸滲的工藝參數(shù) 　
　   Cf/Al復(fù)合材料的真空壓力浸滲工藝參數(shù)主要有： 　
　   1、 浸滲溫度 　
　   浸滲溫度，是真空壓力浸滲工藝中重要的工藝參數(shù)。整個(gè)制備過程中，對(duì)溫度的選擇，決定了材料成型后，纖維的界面反應(yīng)情況。如果浸滲溫度過高，容易造成纖維與基體的高溫界面反應(yīng)，生成大量的界面反應(yīng)物Al4C3脆性相，基體與增強(qiáng)體界面結(jié)合過強(qiáng);浸滲溫度過低，界面反應(yīng)雖然有所減緩，但是鋁熔液在浸滲過程中會(huì)快速冷卻到鋁凝固點(diǎn)以下，導(dǎo)致材料復(fù)合失敗。 　
　    2、浸滲壓力 　
　    浸滲壓力是真空壓力浸滲工藝中另外一個(gè)重要的工藝參數(shù)，浸滲壓力決定了金屬浸滲纖維預(yù)制塊的過程，并影響最終復(fù)合材料的致密度。 　
　    3、真空度 　
　   材料制備過程的真空度，決定了最終復(fù)合材料中增強(qiáng)體纖維的氧化受損程度，對(duì)復(fù)合材料的最終性能具有重要意義。 　
五、 Cf/Al復(fù)合材料應(yīng)用前景 　
　    碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和高模量，其密度小于鋁合金，模量卻比鋁合金高2~4倍，因此用復(fù)合材料制成的構(gòu)件具有質(zhì)量輕、剛性好、可用最小的壁厚做成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的構(gòu)件，提高設(shè)備容量和裝載能力，可用于航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、高性能飛機(jī)等方面。以飛機(jī)質(zhì)量為例，飛機(jī)機(jī)身質(zhì)量約占起飛質(zhì)量的50%，燃料占25%，只有25%留作負(fù)載。如果將輕量且高強(qiáng)度的Cf/Al復(fù)合材料用于飛機(jī)的制造，只要使其質(zhì)量減少10%，那么有效負(fù)載就增加20%。作為最經(jīng)濟(jì)高效的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件減重增效的途徑，Cf/Al復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用正趨擴(kuò)大。 　
　   用Cf/Al復(fù)合材料制成的導(dǎo)航系統(tǒng)和航天天線，可有效地提高其精度；用碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成的衛(wèi)星拋物面天線骨架，熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好，可在較大溫度范圍內(nèi)保持其尺寸穩(wěn)定，使衛(wèi)星拋物面天線的增益效率提高4倍，同時(shí)還顯著減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。
　　隨著研究探索的深入，除了率先在宇航、航空和兵器中得到應(yīng)用，在民用工業(yè)中的應(yīng)用也日漸增多，廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)構(gòu)件、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、滑動(dòng)部件、計(jì)算機(jī)集成電路的封裝材料以及電子設(shè)備的基板等方面[8]。
　　近年來，碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的發(fā)展特別迅速，因?yàn)樵谑澜绶秶胸S富的鋁資源和高性能碳纖維的出現(xiàn)及碳纖維成本的降低，所以纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備和加工比其它金屬基復(fù)合材料更為經(jīng)濟(jì)，易于推廣和應(yīng)用，受到人們的普遍重視。 　
　    Cf/Al復(fù)合材料的成本主要來自原材料和制備帶來的成本，在航天飛行器中，所使用的材料每降低一公斤，發(fā)射成本就降低1萬美元。因此，只要進(jìn)一步地降低其研究費(fèi)用、提高其價(jià)格/性能比，高比強(qiáng)的Cf/Al復(fù)合材料將具有非常廣闊的前景。