一、背景
       近年來，隨著汽車工業(yè)、航空宇航、電子通訊技術的飛速發(fā)展，要求作為這些行業(yè)基礎的材料除具有高強度、高模量、耐高溫等基礎性能外，還對材料的比重、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，制備成復合材料，使的材料間取長補短。復合材料是用經(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，通過人工復合，組成多相、三維結合且各相之間有明確界面的，具有特殊性能的材料[1]。復合材料的最大優(yōu)點是材料的性能具有可設計性。材料的設計自由度高，所以進展迅猛。 　
       金屬基復合材料(Metal Matrix Composites，簡稱MMCs)除了具有高比強度、高比模量和低熱膨脹系數(shù)等特點外，還有能耐更高溫度、防燃、橫向強度和剛度高、不吸潮、高導熱與導電率，抗輻射性能好、在使用時不放出氣體等優(yōu)點，顯示了樹脂基復合材料不可比擬的特點，因此得到了國內(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]。 　　碳纖維增強金屬基復合材料具有很高的比強度和比模量，是航空航天等對構件質量要求苛刻的高技術領域理想的結構材料[2]。近年來，伴隨著高性能碳纖維的出現(xiàn)，以及因產(chǎn)量擴大而成本降低，對碳纖維增強鋁基復合材料的制備及應用受到廣泛重視[4]。 　　
二、 碳纖維增強鋁基復合材料 　 
       1、碳纖維 　　
       碳纖維是一種碳含量超過90%的纖維狀碳材料，碳纖維同時具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、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。粘膠纖維的強度低、楊氏模量也低，但是由于成本低，仍然用于某些復合材料的制造[7]。PAN基碳纖維性能較好，但價格較高，主要用于對性能要求極高的航空航天領域。瀝青類碳纖維與PAN基碳纖維相比，具有一定的價格優(yōu)勢，在汽車、機械電子等領域顯示出較好的應用前景[8]。 　
　     2、碳纖維增強鋁基復合材料 　
　    近年來在金屬基復合材料領域，鋁基復合材料的發(fā)展尤為迅速。這不僅因為它具有一系列優(yōu)點，而且因為在世界范圍內(nèi)有豐富的資源，加之可用常規(guī)設備和工藝加工成型和處理，因而制備和生產(chǎn)鋁基復合材料比其他金屬基復合材料更為經(jīng)濟，易于推廣和應用。 　　目前，制備Cf/Al復合材料的基體鋁合金主要選用Al-Mg-Si系和Al-Cu-Mg系等可熱處理強化的合金。最新應用的防銹鋁LF6，系鎂含量高的Al—Mg合金，可焊性、抗蝕性良好，強度中低，冷變形可提高強度，適于制造中載構件，液體容器、管道等零件。 　
三、 Cf/Al復合材料的制備工藝 　　碳纖維增強鋁基復合材料的制造方法[8]主要有: 　
　    1、 熔融浸潤法 　
　    用液態(tài)鋁及鋁合金浸潤纖維束，使每根纖維被熔融金屬潤濕后除去多余的金屬而得到復合絲，再經(jīng)擠壓而制得復合材料。其缺點是熔融鋁及鋁合金可能會對纖維性能造成損傷。 　　
        2、 擠壓鑄造法 　　
       使熔融鋁及鋁合金強制壓入內(nèi)置纖維預制件的固定模腔，壓力一直施加到凝固結束，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性，所制得復合材料的增強纖維與鋁及鋁合金間的反應最小，沒有空隙和縮孔等常規(guī)鑄造缺陷。 　
　    3、擴散粘結法 　
　   鋁箔與經(jīng)表面處理后浸潤鋁液的碳纖維絲或復合絲或單層板按規(guī)定的次序疊層，在真空或惰性氣體條件下經(jīng)高溫加壓擴散粘結成型以得到鋁基復合材料的制造方法。 　
　    4、 粉末冶金法
　　采用等離子噴濺法在排列好的增強纖維上噴涂金屬鋁粉，或把金屬鋁粉分散在丙烯酸樹脂進行涂敷，制成預制板，將其交替重疊后在真空或氬氣中，在接近鋁熔點溫度下加壓燒結以獲得纖維增強鋁基復合材料。
　　5、 真空壓力浸滲法 　
　   采用真空壓力浸漬法時, 先將放入模具內(nèi)的增強預成型體抽真空，然后施加壓力將熔融的金屬液體壓入模具內(nèi)復合，冷卻后得到制件。 　　該方法雖然存在設備昂貴及工件尺寸有限的缺點，但對小型制件而言，卻有不少可取之處，因為除了有增強體的范圍大、制品質量好的優(yōu)點外，還可以實現(xiàn)近似無余量成型，特別適合于復雜精密的制件[2]。 　
四、真空壓力浸滲的工藝參數(shù) 　
　   Cf/Al復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)。整個制備過程中，對溫度的選擇，決定了材料成型后，纖維的界面反應情況。如果浸滲溫度過高，容易造成纖維與基體的高溫界面反應，生成大量的界面反應物Al4C3脆性相，基體與增強體界面結合過強;浸滲溫度過低，界面反應雖然有所減緩，但是鋁熔液在浸滲過程中會快速冷卻到鋁凝固點以下，導致材料復合失敗。 　
　    2、浸滲壓力 　
　    浸滲壓力是真空壓力浸滲工藝中另外一個重要的工藝參數(shù)，浸滲壓力決定了金屬浸滲纖維預制塊的過程，并影響最終復合材料的致密度。 　
　    3、真空度 　
　   材料制備過程的真空度，決定了最終復合材料中增強體纖維的氧化受損程度，對復合材料的最終性能具有重要意義。 　
五、 Cf/Al復合材料應用前景 　
　    碳纖維增強鋁基復合材料具有高強度和高模量，其密度小于鋁合金，模量卻比鋁合金高2~4倍，因此用復合材料制成的構件具有質量輕、剛性好、可用最小的壁厚做成結構穩(wěn)定的構件，提高設備容量和裝載能力，可用于航天飛機、人造衛(wèi)星、高性能飛機等方面。以飛機質量為例，飛機機身質量約占起飛質量的50%，燃料占25%，只有25%留作負載。如果將輕量且高強度的Cf/Al復合材料用于飛機的制造，只要使其質量減少10%，那么有效負載就增加20%。作為最經(jīng)濟高效的飛機結構件減重增效的途徑，Cf/Al復合材料在飛機結構件上的應用正趨擴大。 　
　   用Cf/Al復合材料制成的導航系統(tǒng)和航天天線，可有效地提高其精度；用碳纖維增強鋁基復合材料制成的衛(wèi)星拋物面天線骨架，熱膨脹系數(shù)低、導熱性好，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，同時還顯著減輕了結構的質量。
　　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用，在民用工業(yè)中的應用也日漸增多，廣泛地應用于飛機構件、汽車發(fā)動機零件、滑動部件、計算機集成電路的封裝材料以及電子設備的基板等方面[8]。
　　近年來，碳纖維增強鋁基復合材料的發(fā)展特別迅速，因為在世界范圍有豐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，所以纖維增強鋁基復合材料的制備和加工比其它金屬基復合材料更為經(jīng)濟，易于推廣和應用，受到人們的普遍重視。 　
　    Cf/Al復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，只要進一步地降低其研究費用、提高其價格/性能比，高比強的Cf/Al復合材料將具有非常廣闊的前景。