铝加工信息化建设问题研究论文

编者按

新的一年已经到来，“河南号”这条经济大船如何行稳致远？2022河南两会召开在即，中共河南省委十一届二次全体(扩大)会议暨省委经济工作会议成功举行。岁末年初，两场关乎河南经济 社会 发展大政方针的重要会议备受 社会 各界瞩目。

铝工业“全能选手”的修炼之路

铝工业是河南的传统优势产业。2018年河南省政府印发的《河南省铝工业转型发展行动方案（2018—2020年）》（以下简称《行动方案》）指出：“改革开放以来，我省铝工业实现了由氧化铝全国第一、电解铝全国第一，到2017年铝加工全国第一的结构性跃迁。”

全产业链是河南铝工业的优势所在。河南省有色金属行业协会总工程师张传合介绍，以铝为主的有色金属工业是河南的支柱产业，河南铝工业基本涵盖了“铝土矿-氧化铝-电解铝-铝加工-精深加工”的全产业链，河南是国内铝工业产业链条最完整的省份之一。

河南省有色金属行业协会数据显示，2020年全省电解铝产量176万吨，在全国排名第8位，而2018年全国排名为第4位；2020年全省铝加工材产量1032万吨，较2018年增长20.28%，全国排名均为第2位。

在铝工业产业链里，上游铝土矿开采对环境影响较大，中游电解铝是高耗能产业，下游铝加工、精深加工更靠近终端消费市场，附加值相对较高。从电解铝、铝加工材产量变化可以看出，河南铝工业另一优势在产业结构的优化，其实，这是政策和市场双重作用的结果。

政策方面，《行动方案》显示，鼓励国内铝加工企业或电解铝企业新建高端铝加工项目，允许通过产能置换到省外优势地区建设电解铝供应基地，形成以资本为纽带的省内高端加工、省外前端供应的产业一体化格局。

市场方面，在《行动方案》印发的当年，河南上市铝企神火股份（000933.SZ）、中孚实业（600595.SH，现为*ST中孚，下同）开始将省内电解铝产能分别向水电资源丰富的四川、云南转移。业内人士表示，西南水电价格比北方火电便宜，对河南铝企有吸引力。

“中原铝价”等优势背后的隐忧

电解铝是下游铝加工材的原材料，产品形式有液体状的铝水和固体状的铝锭，铝水便于下游加工，铝锭则有运输优势，下游铝加工材有铝型材、铝板带箔、铝棒等类型。河南铝工业企业主要集聚在郑州巩义回郭镇、洛阳等地。

目前河南有神火股份、中孚实业、明泰铝业（601677.SH）、焦作万方（000612.SZ）4家上市铝企，其中神火股份、中孚实业拥有铝电煤一体化产业链条，但神火股份铝加工产品收入占比远小于中孚实业，明泰铝业、焦作万方主营业务分别为铝加工材、电解铝。

不过，全产业链、产业结构以及“中原铝价”等优势并不能解除河南铝工业的发展隐患。上述业内人士认为，河南铝工业同样存在问题，比如铝加工材产量大势必会增加对原材料的需求，如果遇到原材料行情好、供应紧张的时间段，上下游话语权就会发生反转。

在张传合看来，河南铝工业仍面临竞争力需要继续提升、中低端产品仍占多数、原料供应问题逐步显现以及高质量辅料应用重视不够等挑战。

“原先铝加工企业可以直接在铝水中加辅料做加工，现在使用铝锭加工需要先将铝锭熔为铝水再加工。”张传合表示，省内电解铝产能尤其是铝水产能的减少，导致铝加工企业采购铝锭增多，省内铝企需要重构自身供应链；高质量辅料能提升铝加工材品质，如果忽视应用，不利于省内铝加工材往高端方向靠近。

河南铝加工优势再造的三条建议

终端市场变化直接决定加工材料的命运。当前，随着新能源 汽车 、动力电池及新基建等终端市场的兴起，铝加工材的下游应用领域愈加丰富。面对下游新变化，河南铝工业如何实施优势再造？业界给出三条建议， 即加大创新研发、把握再生铝机遇、拥抱资本市场 。

张传合认为，河南铝工业优势再造的首要答案，就是排在“十大战略”第一位的“实施创新驱动、科教兴省、人才强省战略”，铝企要深入研究下游市场的变化情况，积极对接下游终端，并投入研发，在研发过程中加大创新，这样才能满足下游需求、建立核心竞争力。

河南上市铝企已有行动。其中，铝加工材收入占比不高的神火股份正瞄准新能源电池用铝。神火股份工作人员透露，公司现有铝加工材主要应用于食品、医药领域，公司铝加工材技术完全满足电池需求，现阶段正在推进相关认证工作。

再生铝产业被视为河南铝工业又一机遇。张传合表示，再生铝产业属于战略性新兴产业，再生铝回收利用既符合双碳目标、又能解决河南铝工业的原料困境，河南省有色金属行业协会鼓励伊川、巩义复制已有的长葛回收模式，优化再生铝市场布局，减少物流费用。

刘小磊也看好河南铝工业发展再生铝产业的趋势。前文所述业内人士表示，河南的区位优势也适合发展再生铝，因为便于集聚各地的回收铝料，河南铝工业产能可以直接利用起来。

此外，该业内人士认为，要进一步实现优势再造，河南铝工业还需积极拥抱资本市场，加大研发、布局再生铝等工作都需要资金，资本市场就是为解决融资而诞生的；虽然河南已有4家上市铝企，但河南铝工业作为有全国影响力的产业，有责任贡献数量更多、质量更优的上市公司，未上市的龙头铝企也有必要接受资本市场的检验，建议多部门联动起来、做好沟通，帮助龙头铝企早日登陆资本市场。

责编:陶纪燕 | 审核:李震 | 总监:万军伟

提纲：1、问题的由来2、现在的情况3、解决目标4、东西的大致述说5、经济费用资料：人居环境，又叫"人类住区"或者叫"人类聚居"。含义是：人类生存，从事生产，进行各种社会活动所在的环境。狭义的人居环境常理解为人的居室、住宅及其生活区。而广义的人居环境是一个可以被无限分割的空间连续统一体。从个人家庭活动的房间和住宅，到各式各样的建筑和聚落，再到可供人类开发利用的整个地球表面空间，都可以被视作人居环境。 一、 人居环境的发展 （一）人居环境的发展途径 人居环境从20世纪60年代的"聚居"理念，发展至今，已有近半个世纪的历程。已经形成了人居环境科学体系，并为全世界所认可。 1972年，联合国在斯德哥尔摩召开"人类环境"大会，113个国家的代表和团体参加了会议。这是人类历史上第一次将人类环境问题纳入世界各国政府和国际政治议程，也是全世界各国代表第一次讨论环境对地球的影响。 1976年，在加拿大的温哥华召开的第一次人类住区国际会议正式接受了人类聚居的概念。 1982年，西班牙里约热内卢的"世界环境与发展"大会通过了《里约环境与发展宣言》和《21世纪议程》。 1996年6月，在土耳其的伊斯坦布尔召开的第二次人类住区国际会议，进一步讨论了人居环境问题。 中国于1994年3月将"人类住区可持续发展"作为一项重要内容写进了《中国21世纪议程》，体现了中国政府对环境问题的高度重视。1998年国家自然科学基金对人居环境可持续发展指标体系研究给予了重点支持。于2000年，签署《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》。 2002年，第二次地球峰会--世界可持续发展会议在南非约翰内斯堡举行。 由此可见，人居环境问题已经引起了全世界的关注，人居环境的改善已经成为全球性的普遍纲领。以可持续发展为宗旨的人居环境问题已经成为时代发展的最强音。 （二）人居环境所面临的问题 科学的发展，已经使人类能够在一定范围、一定程度上左右和支配自然。然而，一旦人们沉醉于对自然的战胜之时，人们的忘乎所以就会给自然带来伤害和破坏，造成资源的极度浪费和各种污染的加剧。 1．人口膨胀，各种资源面临短缺 1999年，世界人口达到60亿，以滚雪球式增长的人口，无疑给地球带来沉重的压力。有专家预测，到2040年，将出现全球性的粮食不足。到2070年左右，将出现金属资源的枯竭。到2090年，将出现煤、石油等化石燃料的枯竭。所有这些，势必将对人居环境和人类的生存质量产生不良影响。 2．城市环境污染严重 首先是大气污染。在2000年，全国SO2排放总量已达到1995万吨，其中工业排放量为1612万吨。烟尘排放量1165万吨，其中工业来源1092万吨。CO2会造成"温室效应"，由SO2产生的酸雨还会使水质下降、土壤酸化、破坏植被、侵蚀建筑物；NOx严重刺激人的呼吸器官；粉尘颗粒则大大增加心肺疾病以及癌症的得病几率。 其次是室内环境的污染。时下，室内装修正为流行。由此便产生装饰材料对室内空气的污染，由甲醛、挥发性有机化合物（VOC），重金属颗粒，氨气，氡气等有害物质造成的污染超出室外空气的数倍，而人的绝大部分时间是在室内度过的。因此，室内环境是人居环境改善的重点。 3．建筑材料对人居环境的影响 建筑材料在人类历史上曾扮演了积极的角色，创造了人类的历史和文化。然而随着人口的增加，建筑规模的增大，建筑材料被大宗生产，传统建材的生产也暴露了一些问题，严重危及人类的人居环境。 传统的建筑材料，不但消耗大量的资源、能源，还严重危害环境。炼铁要开山采矿，破坏自然景观。同时每生产1吨钢耗能为1．66吨标准煤，48．6m3水。水泥对环境的危害更是严重。每生产1吨水泥要消耗1．4吨石灰石，0．23吨标准煤和75千瓦时电，同时排出CO2和粉尘。占混凝土体积70～80％的砂石骨料，需要开山和挖取河床，易造成水土流失和河床改道。高密实性混凝土，使城市空间透气性差，雨天雨水四溢，而地下水却得不到补给。城市气温普遍较郊区高，有人称之为"灰色的热岛"或"混凝土森林"。 由此可以看出，人居环境的改善与建筑材料的清洁生产以及建筑材料的绿色化密切相关。可以说，人居环境要求绿色建材，而绿色建材创造并改善人居环境。 二、 绿色建材的发展过程 （一）绿色建材的涵义 绿色建材，即绿色建筑材料，是指具有生态型、环保型、健康型等属性的建筑材料。 其属性是首先它是生态环境材料可再生资源，设计者应立足于可持续发展的角度，对其进行设计，使其在原料采集、生产、加工使用以及废弃的整个过程中，做到零污染。其次绿色建材的"绿"，还应表现在其具有消化和利用工业废物、净化环境的功能上。 （二）改善人居环境，发展绿色建材 现代的绿色文明要求我们要崇尚自然，顺应自然，天人合一。就建筑材料方面，我们应该致力以下几方面的研究： 1． 绿色水泥 所谓"绿色水泥"是指将资源利用率和二次能源利用率均提高到最高水平，并能循环利用的其他工业废渣和废料。且在技术装备上更强化了环境保护的技术和措施；产品除了全面实行质量管理体系外，还真正实行全面环境保护的保证体系，粉尘、废渣、废气的排放几乎接近于零，真正做到自身实现零污染、无公害。 目前，我国的水泥厂90％处于"粗放型"阶段，只有约2％的部分能算得上"集约型"的"绿色水泥"厂。为了保护环境必须采取清洁的生产工艺，有效的利用自然资源和能源，使其向外界排放的各种粉尘，有害气体，有害物质以及废渣废料的数量均小于或远小于各物质所允许的排放量，不致危及生态平衡，达到零污染。传统的硅酸盐水泥中CaO含量较高，需要消耗大量的石灰石，并排放大量CO2；熟料中C3S含量高，其烧成温度高，不仅增加能耗，还增加了耐火材料的消耗。同时，中国的水泥企业还面临设备陈旧、技术落后、劳动生产率低下、企业质量意识淡薄，职工文化素质低等问题。因此要改革传统的水泥企业，发展"绿色水泥"产业。应从以下几方面入手： （1）改进熟料矿物组分，对传统的熟料矿物水泥进行改型、改性，发展生产能耗低的新品种水泥。如生产以C2S为主的高贝利特水泥，其石灰石用量少，能耗低，废气少，强度和耐久性好。用C4A3 取代C3A，且C3S含量低的水泥熟料构成的为阿利特硫酸盐水泥，具有节能、抗渗、抗冻，耐磨等特点。此外还有硫酸盐贝利特水泥，铝酸盐贝利特水泥，铁铝酸盐贝利特水泥，氟铝酸盐贝利特水泥等，均为绿色节能水泥。 （2）改进水泥生产工艺，更新生产设备，大力扶持具有经济规模的大中型回转窑，对技术落后，产品质量差，能耗大，污染重的小型企业实行淘汰。 （3）最大限度利用工业固体废弃物、粉煤灰、煤矸石及各种尾矿。 2．高性能混凝土 高性能混凝土一词最初由美国国家标准与技术研究院（NIST）与美国混凝土协会（ACI）提出，距今已有十几年的历史。它是一种理想的混凝土，除具有优良的力学性能外，还具有良好的工作性，较高的耐久性，较好的体积稳定性以及经济合理性。优良的力学性能可以使之达到100MPa以上的高强。因此可以应用在高层和大跨结构中。良好的工作性能可以制得高流态、自密实、免振捣混凝土，从而减少施工能耗和降低噪音污染。它具有很好的耐久性，不易被外界环境所腐蚀，从而节省了大量的维修费用。现在不少重要的建筑物已按100年安全使用期进行设计，气候条件适中的陆上建筑已按200年安全使用期设计。日本正在研制使用期为500年的钢筋混凝土。此外，它还能掺入磨细矿渣、粉煤灰、硅灰和稻壳灰等掺合料，既节省了水泥，又帮助吸收工业废渣。还表现在具有高抗炭化能力、低吸湿率、高抗冻性等特点，是一种优良的建筑材料。因此，高性能混凝土也被称作"绿色混凝土"或"生态混凝土"。 尽管高性能混凝土在很多方面弥补了传统混凝土的缺陷，但并非就是完美无缺的，它也存在着一些问题： （1）由于各方面性能决定了其制备上的特点：低水灰比，选用优质原料；由于各方面指标较为严格，因而用于生产管理的造价也会相应提高。将比普通混凝土提高50％左右。 （2）因为水胶比低，因而早期开裂问题严重。另外，单位体积水泥用量高，水化放热大，也易出现裂缝。 3．干粉砂浆 干粉砂浆又叫砂浆干粉（混）料。指由专门厂家生产的，经干燥筛分处理的细集料与无机增稠材料、矿物掺合料和添加剂按一定比例混合而成的一种颗粒状或粉状混合物。它是一种"绿色环保建材"，它克服了传统砂浆的质量差、效率低、原材料占用施工现场等弊端，而以其高强度、多功能、耐久性好的优点受到全世界的青睐。同时干粉砂浆的应用还有利于缩短工期、保证砌筑质量、减轻劳动强度、减少资源浪费以及改善施工环境等。 干粉砂浆的特点是其在出厂之前已按要求混合完毕，使用时除加水外，不需要也不允许加入任何其它物料。 干粉砂浆在我国尚处于起步阶段（最先在上海推行）。由于其商品化生产，使得砂浆质量得以保证，所以在一定程度上提高了成本。但从长远来看，其优良的质量，以及减少的维护费用和减少对环境污染治理的费用远大于提升的成本，所以是一种集约型建筑材料。因此，深入研究干粉砂浆的工作性能，设计清洁的生产工艺，加强对其使用力度的推广，对人居环境的改善，具有重大意义。 4．其他方面 以上三个方面，是当今土木工程界研究的热点。除此之外，还要研究以下几点： （1）混凝土分离技术：深入研究混凝土分离技术，提纯出其中一种或几种成分，重复利用。用以解决城市固体垃圾堆放问题，同时又达到了资源的循环利用。 （2）骨料和水泥石之间的过渡层是影响混凝土强度的薄弱部位，如果研制一种既和混凝土有良好衔接性，又和骨料之间有良好粘接力的试剂，将大大改善混凝土的强度和耐久性。 （3）大力发展人造骨料和积极利用生活垃圾和工业废弃物，减少天然砂石料的消耗。 （4）积极利用工业废液，研究以黑纸浆为原料的改性减水剂。在此基础上，研制其他外加剂，帮助处理和吸收其他工业难以处理的废液。 （5）发展高标号水泥熟料，调整水泥产品结构，使其成为绿色水泥，同时在满足工程要求的前提下，减少水泥用量。 （6）研制新型节能墙体材料，改革传统的墙体材料。 （7）大力推广商品混凝土，以减少现场搅拌所带来的噪音污染和粉尘污染，并有利于控制混凝土的质量。 （8）对城市地面，应开发透水性、排水性的生态混凝土以及植被生长型混凝土，以解决城市雨水排泄不畅，空气干燥，温度高等问题。在城市道路两侧，水边护坡等部位，应用能植被的绿化混凝土，使人们有更多的机会贴近自然。同时，也美化城市环境。 （9）研究对环境友好、无污染，对人体健康有益的健康环保型涂料。比如抗菌自洁净涂料和空气净化涂料。再有就是功能性涂料，具有健康功能和释放负离子的功能。 （10）研究能自我诊断、预告破坏、自我调节、自我修复的智能化材料。 （三）建材绿色化的实施措施 1． 设计者要用发展的眼光进行材料设计 在设计中要充分考虑建筑的使用年限，今后的扩建或改装，力争使自己的建筑在未来几年乃至几十年内不会落后，以最大程度减少重复建设。 2． 对绿色建材要加强宣传工作 在宣传中要更多的提倡应用绿色建材。使绿色产品在人们心目中得到认可。 3． 国家要建立健全法规制度 加强立法和监督，建立完善的法律法规，加大质量监督力度，规范建材市场，必要时采取强制措施，以帮助绿色建材的推广。 农业文明为人类生产了食物，满足了人们生存的需要；工业文明为人类创造了财富，满足了人们越来越多的物质需求；而生态文明将使人类生活在更安全、美好的环境中。新世纪的今天，我们需要的是更多的绿色，我们要与自然和睦相处，和谐是最高层次的文明。 人居环境的领域是广泛的，边界是模糊的。它既可以被理解为一种物质产品，也可以被理解为一种变迁的过程，还可以被理解为一种文化现象。这是时代发展的结果，我们应该重新审视自己的行为，更多的关注我们的聚居环境，装饰我们居室的是绿色建材；装扮我们心灵的是绿色文明。 提纲自己列的，资料网上找的，论文按我给你的提纲的大致思路来写就可以了

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究现状及发展趋势摘要：综述了铝基复合材料的发展历史及国内外研究现状，重点阐述了碳化硅颗粒增强铝基复合材料制备工艺的发展现状。同时说明了碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究中仍存在的问题，在此基础上展望了该复合材料的发展前景。关键词：SiCp /Al 复合材料； 制备方法中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1001-3814(2011)12-0092-05Research Status and Development Trend of SiCP/Al CompositeZHENG Xijun, MI Guofa(College of Material Science and Engineer, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)Abstract：The development history, domestic and foreign research present situation of SiCP /Al composite wasintroduced, the research progress of preparation process for SiCP /Al composite were elaborated, the research on SiCP /Alcomposite was analyzed and the development prospect of the composite was put forward.Key words：SiCp /Al composite; preparation methods收稿日期:2010-11-20作者简介:郑喜军(1982- ),男,河南西平人,硕士研究生,研究方向为材料加工工程;电话:;E-mail:《热加工工艺》2011 年第40 卷第12 期下半月出版Material & Heat Treatment 材料热处理技术应用进行了广泛的关注和研究，从材料的制备工艺、组织结构、力学行为及断裂韧性等方面做了许多基础性的工作， 取得了显著的成绩。在美国和日本等国，该类材料的制备工艺和性能研究已日趋成熟，在电子、军事领域开始得到实际应用。SiC 来源于工业磨料，可成百吨的生产，价格便宜，SiC 颗粒强化铝基复合材料被美国视为有突破性进展的材料， 其性能可与钛合金媲美，而价格还不到钛合金的1/10。碳化硅颗粒增强铝基复合材料是最近20 年来在世界范围内发展最快、应用前景最广的一类不连续增强金属基复合材料，被认为是一种理想的轻质结构材料，尤其在机动车辆发动机活塞、缸头(缸盖)、缸体等关键产品和航空工业中具有广阔的应用前景[5-7]。在1986 年，美国DuralAluminumComposites 公司发明了碳化硅颗粒增强铝硅合金的新技术， 实现了铸造铝基复合材料的大规模生产， 以铸锭的形式供给多家铸造厂制造各种零件[8-9]。美国Duralcan 公司在加拿大己建成年产11340 t 的SiC/Al 复合材料型材、棒材、铸锭以及复合材料零件的专业工厂。目前，Duralcan 公司生产的20%SiCp /A356Al 复合材料的屈服强度比基体铝合金提高75%、弹性模量提高30%、热膨胀系数减小29%、耐磨性提高3～4倍。美国DWA 公司生产的碳化硅增强复合材料随碳化硅含量的增加，只有伸长率下降的，其他性能都得到了很大提高。到目前为止，SiCp/Al 复合材料被成功用于航空航天、电子工业、先进武器系统、光学精密仪器、汽车工业和体育用品等领域，并取得巨大经济效益。表1 列举了一些SiCp/Al 复合材料的力学性能。目前国内从事研制与开发碳化硅颗粒增强铝复合材料工作的科研院所与高校主要有北京航空材料研究院、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、国防科技大学等。哈尔滨工业大学研制的SiCw/Al 用于某卫星天线丝杆，北京航空材料研究院研制的SiCp/Al 用于某卫星遥感器定标装置[10-11]。国内到目前为止还没有出现高质量高性能的碳化硅颗粒增强铝基复合材料， 虽然部分性能已达到国外产品的指标， 但在产品的尺寸精度上还存在不小的差距，另外制造成本太高，离工业化生产还有一段距离要走。2 铝基复合材料的性能特征(1)高比强度、比模量由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的增强物，明显提高了复合材料的比强度和比模量， 特别是高性能连续纤维，如硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物，他们具有很高的强度和模量[1]。(2)良好的高温性能，使用温度范围大增强纤维、晶须、颗粒主要是无机物，在高温下具有很好的高温强度和模量， 因此金属基复合材料比基体金属有更高的高温性能。特别是连续纤维增强金属基基复合材料，其高温性能可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能高许多。(3)良好的导热、导电性能金属基复合材料中金属基体占有很高的体积百分数， 一般在60%以上，因此仍保持金属的良好的导热、导电性能。(4)良好的耐磨性金属基复合材料，特别是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是由于在基体中加入了大量细小的陶瓷颗粒增强物，陶瓷颗粒硬度高、耐磨、化学性能稳定，用它们来增强金属不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。(5)热膨胀系数小，尺寸稳定性好金属基复合材料中所用的增强相碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，特别是超高模量的石墨纤维具有负热膨胀系数， 加入相当含量的此类增强物可降低材料膨胀系数， 从而得到热膨胀系数小于基体金属、尺寸稳定性好的金属基复合材料。(6)良好的抗疲劳性和断裂韧性影响金属基复合材料抗疲劳性和断裂韧性的因素主要有增强物与复合体系制备工艺增强体含量(vol,%)拉伸强度/MPa弹性模量/GPa伸长率(%)SiCP /2009Al 粉末冶金20 572 109 5.3SiCP/2124Al 粉末冶金20 552 103 7.0SiCP/6061Al 粉末冶金20 496 103 5.5SiCP/7090Al 粉末冶金20 724 103 2.5SiCP/6061Al 粉末冶金40 441 125 0.7SiCP/7091Al 粉末冶金15 689 97 5.0SiCP/A356Al 搅拌铸造20 350 98 0.5SiCP/A359Al 无压浸渗30 382 125 0.4表1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能[1]Tab.1 Mechanical properties of aluminum matrixcomposite reinforced by SiC particle93Hot Working Technology 2011, Vol.40, No.12材料热处理技术Material & Heat Treatment 2011 年6 月金属基体的界面结合状态、金属基体与增强物本身的特性以及增强物在基体中的分布等。特别是界面结合强度适中，可以有效传递载荷，又能阻止裂纹扩展，从而提高材料的断裂韧性。(7)不吸潮、不老化、气密性好与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，在空间使用不会分解出低分子物质而污染仪器和环境，有明显的优势。(8)较好的二次加工性能可利用传统的热挤压、锻压等加工工艺及设备实现金属基复合材料的二次加工。由于铝基复合材料不但具有金属的塑性和韧性，而且还具有高比强度、比模量、对疲劳和蠕变的抗力大、耐热性好等优异的综合性能。尤其在最近20 年以来， 铝基复合材料获得了惊人的发展速度，表2 列举了一些铝基复合材料的力学性能。3 主要应用领域3.1 在航空航天及军事领域的应用美国ACMC 公司和亚利桑那大学光学研究中心合作，研制成超轻量化空间望远镜和反射镜，该望远镜的主镜直径为0.3m，仅重4.54kg。ACMC 公司用粉末冶金法制造的碳化硅颗粒增强铝基复合材料还用于激光反射镜、卫星太阳反射镜、空间遥感器中扫描用高速摆镜等；美国用高体积分数的SiCp/Al代替铍材，用于惯性环形激光陀螺仪制导系统、三叉戟导弹的惯性导向球及管型测量单元的检查口盖，成本比铍材降低2/3；20 世纪80 年代美国洛克希德.马丁公司将DWA 公司生产的25%SiCp /6061Al 用作飞机上承载电子设备的支架，其比刚度比7075 铝合金约高65%；美国将SiCp/6092Al 用于F-16 战斗机的腹鳍， 代替原有的2214 铝合金蒙皮， 刚度提高50%，寿命从几百小时提高到8000 小时左右，寿命提高17 倍，可大幅度降低检修次数，提高飞机的机动性，还可用于F-16 的导弹发射轨道；英国航天金属及复合材料公司(AMC)采用高能球磨粉末冶金法研制出高刚度﹑ 耐疲劳的SiCp/2009Al， 成功用于Eurocopter 公司生产的N4 及EC-120 新型直升机[12]；采用无压浸渗法制备的高体积分数SiCp/Al 作为印刷电路板芯板用于F-22“猛禽”战斗机的遥控自动驾驶仪、发电元件、飞行员头部上方显示器、电子计数测量阵列等关键电子系统上， 以代替包铜的钼及包铜的锻钢，可使质量减轻70%，同时降低了电子模板的工作温度；SiCp/Al 印刷电路板芯板已用于地轨道全球移动卫星通信系统； 作为电子封装材料，还可用于火星“探路者”和“卡西尼”土星探测器等航天器上。美国采用高体积分数SiCp /Al 代替Cu-W 封装合金作为电源模块散热器，已用于EV1 型电动轿车和S10 轻型卡车上；美国将氧化反应浸渗法制备的SiC-Al2O3/Al 作为附加装甲，用于“沙漠风暴”地面进攻的装甲车；美国GardenGrove 光学器材公司用SiCp/Al 制备Leopardl 坦克火控系统瞄准镜。3.2 在汽车工业中的应用由山东大学与曲阜金皇活塞有限公司联合研制的SiCp /Al 活塞已用于摩托车及小型汽车发动机；自20 世纪90 年代以来， 福特和丰田汽车公司开始采用Alcan 公司的20%SiC/Al-Si 来制作刹车盘；美国Lanxide 公司生产的SiCp/Al 汽车刹车片于1996年投入批量生产[13]；德国已将该材料制作的刹车盘成功应用于时速为160km/h 的高速列车上。整体采用锻造的SiCp/Al 活塞已成功用于法拉利生产的一级方程式赛车。3.3 在运动器械上的应用BP 公司研制的20%SiCp/2124Al 自行车框架已在Raleigh 赛车上使用；SiCp /Al 复合材料可应用于自行车链轮、高尔夫球头和网球拍等高级体育用品；在医疗上用于假体的制造。4 制备及成型方法一般来说， 根据铝基体状态的不同，SiCp/Al 的制备方法大致可分为固态法和液态法两类。目前主要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法和挤压铸造法。4.1 粉末冶金法粉末冶金法又称固态金属扩散法，该方法由于克增强相/ 基体增强相含量拉伸强度/MPa弹性模量/GPa伸长率(%)SiC/Al-4Cu 15 476 92 2.3SiCp /ZL101 20 375 101 1.64SiCp /ZL101A 20 330 100 0.5SiCp /6061 25 517 114 4.5SiCp /2124 25 565 114 5.6Al2O3 /Al-1.5Mg 20 226 95 5.9Cf /Al 26 387 112 -表2 金属基复合材料的力学性能[1]Tab.2 Mechanical properties of metal matrix composite[1]94《热加工工艺》2011 年第40 卷第12 期下半月出版Material & Heat Treatment 材料热处理技术服了碳化硅颗粒与铝合金熔液润湿困难的缺点，因而是最先得到发展并用于SiCp/Al 的制备方法之一。具体制备SiCp/Al 的粉末冶金工艺路线有多种，目前最为流行和典型的工艺流程为：碳化硅粉末与铝合金粉末混合一冷模压(或冷等静压)一真空除气一热压烧结(或热等静压)一热机械加工(热挤、轧、锻)。粉末冶金法的优点在于碳化硅粉末和铝合金粉末可以按任何比例混合，而且配比控制准确、方便。粉末冶金法工艺成熟，成型温度较低，基本上不存在界面反应、质量稳定，增强体体积分数可较高，可选用细小增强体颗粒。缺点是设备成本高，颗粒不容易均匀混合，容易出现较多孔隙，要进行二次加工，以提高机械性能，但往往在后续处理过程中不易消除；所制零件的结构、形状和尺寸都受到一定的限制，粉末冶金技术工艺程序复杂，烧结须在在密封、真空或保护气氛下进行， 制备周期长， 降低成本的可能性小，因此制约了粉末冶金法的大规模应用。4.2 喷射沉积法喷射沉积法是1969 年由Swansea 大学Singer教授首先提出[14]，并由Ospray 金属有限公司发展成工业生产规模的制造技术。该方法的基本原理是：对铝合金基体进行雾化的同时，加入SiC 增强体颗粒，使二者共同沉积在水冷衬板上， 凝固得到铝基复合材料。该工艺的优点是增强体与基体熔液接触时间短，二者反应易于控制；对界面的润湿性要求不高，可消除颗粒偏析等不良组织， 组织具有快速凝固特征；工艺流程短、工序简单、效率高，有利于实现工业化生产。缺点是设备昂贵，所制备的材料由于孔隙率高而质量差必须进行二次加工， 一般仅能制成铸锭或平板； 大量增强颗粒在喷射过程中未能与雾化的合金液滴复合， 造成原材料损失大， 工艺控制较复杂，增强体颗粒利用率低、沉积速度较慢、成本较高。4.3 搅拌铸造法搅拌铸造法的基本原理[15-17]：依靠强烈搅拌在合金液中形成涡漩的负压抽吸作用， 将增强体颗粒吸入基体合金液体中。具体工艺路线：将颗粒增强体加入到基体金属熔液中， 通过一定方式的搅拌与一定的搅拌速度使增强体颗粒均匀地分散在金属熔体中，以达到相互混合均匀与浸润的目的，复合成颗粒增强金属基复合材料熔体。然后可浇铸成锭坯、铸件等使用。该方法的优点是：工艺简单、设备投资少、生产效率高、制造成本低、可规模化生产。缺点是：加入的增强体颗粒粒度不能太小， 否则与基体金属液的浸润性差， 不易进入金属液或在金属液中容易团聚和聚集；普遍存在界面反应，强烈的搅拌容易造成金属液氧化，大量吸气及夹杂物混入，颗粒加入量也受到一定限制，只能制成铸锭，需要二次加工。4.4 挤压铸造法挤压铸造法是首先把SiC 颗粒用适当的粘结剂粘结，制成预制块放入浇注模型中，预热到一定的温度，然后浇入基体金属液，立即加压，使熔融的金属熔液浸渗到预制块中，最后去压、冷却凝固形成SiCp/Al。该方法的优点是：设备较简单且投资少，工艺简单且稳定性较好，生产周期短，易于工业化生产，能实现近无余量成型，增强体体积分数较高，基本无界面反应。缺点是容易出现气体或夹杂物，缺陷比较多，需增强颗粒需预先制成预成型体， 预成型体对产品质量影响大，模具造价高，而且复杂零件的生产比较困难。5 SiCp /Al 复合材料发展的建议与对策SiCp /Al 复合材料作为一种新的结构材料有着广阔的发展前景, 但要实现产业化还需做大量的研究工作。除了要对SiCp/Al 复合材料的制备工艺、界面结合状态、增强机制等方面的内容做进一步研究，其相关领域的研究及发展也应给予重视。5.1 现有制备工艺进一步完善和新工艺的开发现有工艺制备方法虽然已经成功制造了复合材料，但很难用于工业化生产且尚处于实验室研究阶段[18]。SiC 颗粒存在于铝液中，使金属液粘度提高，流动性降低，铸造时充填性变差，当颗粒含量增加至20%或在较低温度(<730℃)时，流动性急剧降低以致于无法正常浇注。另外，SiC颗粒具有较大的表面积， 表面能较大，易吸附气体并带入金属液中，而金属液粘度大也易卷入气体并难以排出，产生气孔缺陷。因此，对现有工艺的进一步完善和新工艺的开发成为下一步研究工作的主要任务。5.2 后续加工工艺的研究金属基复合材料的切削加工、焊接、热处理等后续加工工艺的研究较少，成为限制其应用的瓶颈。高强度、高硬度增强体的加入使金属基复合材料成为难加工材料[18-19]，而由于增强体与基体合金的热膨胀系数差异大引起位错密度的提高， 也使金属基复合95Hot Working Technology 2011, Vol.40, No.12材料热处理技术Material & Heat Treatment 2011 年6 月材料的时效行为与基体合金有所不同[20]。另外，增强体影响焊接熔池的粘度和流动性， 并与基体金属发生化学反应限制了焊接速度， 给金属基复合材料的焊接造成了极大困难。因此， 解决可焊性差的问题也成为进一步研究的主要方向。5.4 环境性能方面的改善金属基复合材料的环境性能方面的研究， 即如何解决金属基复合材料与环境的适应性， 实现其废料的再生循环利用也引起了一些学者的重视， 这个问题关系到有效利用资源，实现社会可持续发展，因此， 关于环境性能方面的研究将是该领域今后研究的热点。由于铝基复合材料是由两种或两种以上组织结构、物理及化学性质不同的物质结合在一起形成一类新的多相材料， 其回收再利用的技术难度要比传统的单一材料大得多。随着铝基复合材料的批量应用，必然面临废料回收的问题，通过对复合材料的回收再利用， 不但可减少废料对环境的污染还可减低铝基复合材料的制备成本、降低价格，增加与其他材料的竞争力，有利于促进自身的发展。文献[21]配制了混合盐溶剂， 采用熔融盐法成功地分离出颗粒增强铝基复合材料中的增强材料，研究结果表明，利用该技术处理颗粒增强铝基复合材料， 其回收利用率可达85%。6 结语与铝合金基体相比， 铝基复合材料具有更高的使用温度、模量和强度，热稳定性增加及更好的耐磨损性能，它的应用将越来越广泛。然而，在目前的研究中仍然存在许多疑问和有待解决的问题， 例如怎样去克服铝基复合材料突出的界面问题， 并且力求研究结果有助于改善生产应用问题； 在制备过程前后， 怎样通过热处理手段来改善成品的各方面性能；如何利用由于热失配造成的内、外应力使材料服役于各种环境。此外，原位反应中仍不免其他副反应夹杂物存在， 同时对增强体的体积分数也难以精确控制，这些都是亟待研究解决的问题。参考文献：[1] 于化顺．金属基复合材料及其制备技术[M]．北京：化学工业出版社，2006．241．[2] 吴人洁．复合材料[M]．天津：天津大学出版社，2000．[3] 沃丁柱．复合材料大全[M]．北京：化学工业出版社，2000．[4] 毛天祥．复合材料的现状与发展[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2000．[5] 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