【行业资讯】铝基复合材料在航空领域的应用研究报告

一、铝基复合材料概述

铝基复合材料是以铝及其合金作为基体，通过添加不同增强体而形成的具有独特性能的材料。它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成，可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料等类型。

其特点主要包括：

•轻质高强：保持了铝的轻质特性，同时通过增强相的加入，显著提高了材料的强度和刚度，在承受较大载荷时仍能保持良好的结构完整性。

•耐磨耐腐蚀：对化学腐蚀和电化学腐蚀的抵抗能力较强，在铝合金基体中加入适当增强相后，能有效提高材料的硬度和耐磨性，延长使用寿命。

•良好的工艺性：铝基复合技术容易掌握，易于加工，铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，增强物可以是连续或短纤维，也可以是不同形状的颗粒。此外，铝基复合材料比强度和比刚度高，高温性能好，更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热膨胀系数低，能组合特定的力学和物理性能，以满足不同产品的需要。

二、铝基复合材料在航空领域的应用优势

（一）轻质高强

铝基复合材料具有与钢相当的强度和刚度，但重量仅为钢的一半。在航空领域，飞行器的重量直接影响燃油效率和航程。铝基复合材料的轻质高强特性能够有效减轻飞行器重量，降低燃油消耗，提高燃油效率，增加航程。例如，在飞机结构中，使用铝基复合材料制造机身、机翼等部件，可以显著减轻飞机整体重量，提高飞机的性能和经济性。

（二）耐磨耐腐蚀

在航空航天环境中，飞行器部件面临着各种恶劣条件，如高温、高压、高湿度、强腐蚀等。铝基复合材料具有良好的耐腐蚀性和耐磨性，能够在这些恶劣环境中保持稳定的性能，延长飞行器部件的使用寿命。例如，在飞机发动机内部零部件的制造中，铝基复合材料的耐腐蚀性能可以有效抵抗燃油和润滑油的腐蚀，提高发动机的可靠性和耐久性。同时，其耐磨性能可以减少部件之间的磨损，降低维护成本。

（三）工艺性良好

铝基复合材料技术容易掌握，易于加工。与其他复合材料相比，铝基复合材料的加工工艺相对简单，可以采用传统的金属加工方法进行加工，如铸造、锻造、轧制等。此外，铝基复合材料比强度和比刚度高，高温性能好，能够满足航空领域对材料高性能的要求。例如，在航天器结构中，铝基复合材料可以通过加工成各种形状的部件，满足航天器不同部位的需求。同时，其良好的高温性能可以保证航天器在高温环境下的正常运行。

三、具体应用案例

（一）飞机结构中的应用

1、机身结构

铝基复合材料在飞机机身中的应用具有多方面的优势。首先，其能够显著减轻机身重量。由于铝基复合材料具有轻质高强的特点，在保持机身结构强度的同时，降低了整体重量，从而提高了飞机的燃油效率，增加了航程。此外，减轻机身重量还有利于提高飞机的飞行安全性。较轻的机身在飞行过程中需要的升力相对较小，降低了对发动机功率的要求，减少了因发动机故障导致的安全风险。同时，铝基复合材料的使用增加了飞机的稳定性。其良好的力学性能使得机身在飞行过程中能够更好地抵抗气流的扰动，保持平稳的飞行姿态。而且，这种材料还能改善结构耐久性，延长机身的使用寿命。相比传统材料，铝基复合材料具有更好的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，能够在长期的使用过程中保持结构的完整性。

2、机翼

铝基复合材料在机翼上的应用效果显著。它能够提高机翼强度，使得飞机能够承受更大的载荷。增加的飞机载荷能力为飞机的运输和作战任务提供了更大的可能性。同时，铝基复合材料还能改善机翼刚度，减少机翼在飞行过程中的变形，提高飞机的飞行稳定性。此外，通过减小飞机气动阻力，优化气动布局，进一步提高了飞机的飞行性能。这种材料的轻质高强特性使得机翼的设计更加灵活，可以实现更加复杂的气动外形，提高飞机的升力和机动性。

3、航空发动机

铝基复合材料在航空发动机中的应用能够减轻发动机重量，提高效率和性能。这种复合材料具有良好的强度和耐腐蚀性，适合用于发动机内部零部件的制造。例如，在涡轮叶片、燃烧室等关键部位，铝基复合材料能够承受高温高压的工作环境，同时降低发动机的整体重量。通过使用铝基复合材料，可以降低发动机的燃油消耗，提高飞机的整体性能。此外，这种材料的优异性能还能延长发动机的使用寿命，降低维护成本。

（二）航天器结构中的应用

1、人造卫星载荷舱

铝基复合材料在人造卫星载荷舱中的应用，通过减轻卫星结构质量，提高了发射载荷。较轻的载荷舱重量使得卫星在发射过程中能够搭载更多的设备和仪器，进一步提升卫星性能和操作效率。同时，铝基复合材料的高强度和高刚度能够保证载荷舱在太空环境中的结构稳定性，保护卫星设备的安全运行。

2、导弹外壳

铝基复合材料在导弹外壳中的应用，有效提高了导弹的飞行速度、精度和战斗力。其高强度和轻质的特点使得导弹在飞行过程中能够减少空气阻力，提高飞行速度。同时，良好的尺寸稳定性和耐腐蚀性能保证了导弹在复杂环境中的精度和可靠性。通过提高导弹的机动性和快速响应能力，铝基复合材料的使用提升了总体战斗力。

3、航天器热控结构

铝基复合材料在航天器热控结构中的应用，能够抗高温、低温，提高航天器的稳定性和耐用性。在太空环境中，航天器面临着极端的温度变化，铝基复合材料的优异热性能能够有效地抵御高温和低温的影响，确保航天器的正常运行。同时，这种材料的高强度和高刚度能够保证热控结构的稳定性，延长航天器的使用寿命。

四、铝基复合材料的制备方法

（一）液态成形方法

1、搅拌铸造法：将颗粒或短纤维加入到基体金属的熔体中，通过搅拌使增强体分散均匀，然后浇铸成铸锭或所需零件。这种方法的特点是工艺相对简单、成本较低，适用于大规模生产。但也存在一些问题，如增强体分布不均匀、容易卷入气体形成气孔等。

2、压力浸渗法：在抽真空或者加压的状态下，使液态金属渗入先前用增强体做的预制件中，待其凝固后得到金属基复合材料。该方法要求预制件有一定强度和抗变形能力，以防止熔体冲散预制件造成增强体分布不均匀。其优点是可以制备高性能的复合材料，但工艺相对复杂，成本较高。

3、选区激光熔化法：利用激光束对金属粉末进行选择性熔化，层层堆积形成零件。这种方法可以实现复杂形状零件的高精度制造，增强体分布均匀，材料性能好。但设备成本高，生产效率低。

（二）固态成形方法

1、搅拌摩擦法：通过搅拌头在材料表面的摩擦作用，使材料发生塑性变形，实现连接或加工。在铝基复合材料的制备中，可以利用搅拌摩擦法将增强体与基体金属混合均匀，提高材料的性能。其优势在于工艺过程中温度较低，避免了高温下的界面反应，同时可以实现材料的固态连接，减少气孔等缺陷。然而，搅拌摩擦法的局限性在于对设备要求较高，且不适用于大规模生产。

2、粉末冶金法：先将金属粉末与增强体混匀，然后经冷压固结得到复合坯件，最后通过热压烧结、压力加工制得铝基复合材料。粉末冶金法的优点是可以实现增强体的均匀分布，制备出高性能的复合材料。同时，该方法可以控制材料的成分和微观结构，适合于制备特殊性能要求的材料。但是，粉末冶金法工艺复杂，成本较高，且受温度、压力及二次加工工艺和设备的限制，不宜做过大和形状复杂的零件。

（三）其他方法

1、半固态搅拌法：在铝合金半固态温度区间进行搅拌，将增强体加入熔体中，并在高速剪切作用下使增强体与半固态初生相颗粒发生剪切碰撞，从而制备出增强体分布均匀的铝基复合材料。半固态搅拌法有利于减少吸气和促进增强体的均匀分布，但搅拌温度太低会使增强体在搅拌过程中被较大的初生相推挤到边界处，导致增强体分布不均匀。提高搅拌速度和延长搅拌时间可以提高增强体分布均匀性，但搅拌时间过长，增强体分布均匀性将变差。

1、原位合成法：在复合材料制备过程中，增强体不是预先放置好的而是在基体内部就地生成和生长。原位合成法主要包括定向凝固法和反应自生成法。定向凝固法是把某种共晶成分的合金原料在真空或者惰性气氛中、通过感应加热融化后，控制冷却方向，进行定向凝固。在这个反应过程中，析出的共晶相沿着凝固方向整齐排列，其中连续相为基体，条状或片状的分散相为增强体。这种方法得到的复合材料称为共晶复合材料。反应自生成法是指在液态或固态铝或铝合金基体中，通过元素之间或元素、化合物间的化学反应，在铝基体内原位生成一种或几种硬度高、弹性模量大的陶瓷增强相，有效强化了铝基体。原位合成法可以实现增强体与基体的良好结合，提高材料的性能，但工艺过程相对复杂，对设备和工艺条件要求较高。

五、未来发展趋势

（一）新材料研发

随着航空领域对材料性能要求的不断提高，对铝基复合材料的研发投入将持续增加。科研人员将致力于开发更具性能优势的新材料，以满足航空领域日益增长的需求。例如，通过不断探索新的增强体，如新型过渡金属碳 / 氮化物二维纳米层状材料等，制备出具有更优异综合性能的铝基复合材料。这些新材料有望在强度、刚度、耐磨性、耐腐蚀性等方面取得更大突破，为航空领域提供更可靠的材料选择。

（二）工艺改进

为了降低成本、提高效率，航空领域将不断采用先进技术改进铝基复合材料的生产工艺。一方面，可以通过优化液态成形方法，如改进搅拌铸造法减少气孔、提高增强体分布均匀性，完善压力浸渗法的预制件制备工艺等。另一方面，固态成形方法也将不断改进，例如降低粉末冶金法的工艺复杂性和成本，提高搅拌摩擦法的生产效率和适用范围。此外，半固态搅拌法和原位合成法等其他方法也将在工艺控制、设备改进等方面不断优化，以实现更高质量、更高效的铝基复合材料生产。

（三）应用拓展

未来，铝基复合材料将在航空领域不断拓展新的应用领域。在航空器件方面，随着材料性能的提升和制备工艺的改进，铝基复合材料有望应用于更多关键部件，如传感器、电子封装等。在结构材料领域，除了飞机机身、机翼、航空发动机等传统应用部位，还将探索在其他结构部件中的应用，如起落架、制动盘等。同时，随着科技的不断进步，铝基复合材料还将在新的领域发挥作用，例如飞行汽车等新兴领域，为航空领域的发展带来更多可能性。

六、结论

（一）总结铝基复合材料在航空领域的重要性

铝基复合材料在航空领域具有至关重要的地位。首先，在减轻飞行器重量方面，其轻质高强的特性使得飞机、航天器等航空设备在保持结构强度的同时，大幅降低整体重量。以飞机为例，使用铝基复合材料制造机身、机翼和航空发动机等部件，能显著提高燃油效率，增加航程，降低对发动机功率的要求，减少安全风险，同时增加飞机的稳定性。在航天器中，如人造卫星载荷舱和导弹外壳，铝基复合材料的应用能减轻重量，提高发射载荷，增强导弹的飞行速度、精度和战斗力。

其次，在提高性能方面，铝基复合材料表现出色。对于飞机机翼，它能提高强度，增加飞机载荷能力，改善机翼刚度，减小气动阻力，优化气动布局，提高飞机的飞行性能。在航空发动机中，良好的强度和耐腐蚀性使其适合制造内部零部件，降低燃油消耗，提高飞机整体性能。对于航天器热控结构，铝基复合材料能抗高温、低温，提高航天器的稳定性和耐用性。

最后，在增强耐腐蚀性方面，铝基复合材料在航空航天环境中展现出优势。无论是飞机面临的高温、高压、高湿度等恶劣条件，还是航天器在太空极端环境中的运行，铝基复合材料都能保持稳定的性能，延长飞行器部件的使用寿命，降低维护成本。

（二）展望未来发展前景

铝基复合材料在航空领域的未来发展前景令人充满信心。在新材料研发方面，随着航空领域对材料性能要求的不断提高，科研投入将持续增加。新型过渡金属碳 / 氮化物二维纳米层状材料等新增强体的探索，有望制备出具有更优异综合性能的铝基复合材料，在强度、刚度、耐磨性、耐腐蚀性等方面取得更大突破，满足航空领域日益增长的需求。

在工艺改进方面，先进技术将不断应用于铝基复合材料的生产。液态成形方法将通过改进搅拌铸造法、完善压力浸渗法预制件制备工艺等提高增强体分布均匀性；固态成形方法将降低粉末冶金法的工艺复杂性和成本，提高搅拌摩擦法的生产效率和适用范围；半固态搅拌法和原位合成法等其他方法也将在工艺控制、设备改进等方面不断优化，实现更高质量、更高效的生产，降低成本，提高效率。

在应用拓展方面，铝基复合材料将在航空领域不断开拓新领域。在航空器件方面，有望应用于传感器、电子封装等关键部件；在结构材料领域，除传统部位外，还将探索在起落架、制动盘等部件中的应用