想象一下，有一种材料，它比钢铁还要坚固，却比钢铁还要轻盈；既耐得住高温，又能被塑造成各种复杂的形状。这不是科幻小说，而是真实存在的“黑科技”——氧化铝纤维增强铝基复合材料（Al₂O₃f/Al-MMC）。
一、背景简介
随着航空航天、新能源汽车、尖端装备等科技领域的不断发展，对材料的服役性能提出了更为苛刻的要求，对高性能材料的需求也日益增长。传统单一材料在力学、摩擦学、磁学、电学、腐蚀学等性能方面都具有一定的局限性，满足不了目前的使用要求。有资料表明：向单一材料中添加氮化物、氧化物、碳化物、硼化物等增强体，制备出的复合材料具有显著性能优势，可明显改善传统材料的局限性。复合材料分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料、有机聚合物基复合材料三种。与树脂基和陶瓷基复合材料相比，金属基复合材料具有高的比强度、比模量、耐高温、热膨胀系数小、耐摩擦磨损等优异的物理性能及力学性能，受到了工业界和学术界的广泛关注。
二、发展历程
连续氧化铝纤维增强铝基复合材料的研究始于20世纪60年代。早期研究主要集中在纤维制备和复合材料界面结合等方面。20世纪70年代，氧化铝短纤维增强铝基复合材料取得了突破性进展，并在内燃机车等领域取得成功应用。近年来，随着氧化铝连续纤维制备技术的突破和性能的逐步提升，伴随航空航天、新能源等产业的迅猛发展，更高性能的需求让该材料迎来了新的发展机遇。
三、MMC制备及性能
1、连续氧化铝纤维增强铝基复合材料的制备
简单来说，这种材料就像是在柔软的铝合金中，编织进了一张由氧化铝长纤维构成的“钢筋网”，使其拥有极高的强度、刚度、耐磨性和耐热性。而铝合金则具有良好的塑性和导热性。两者结合，取长补短，便诞生了这种性能卓越的金属基复合材料。
图3-1：氧化铝连续纤维增强铝基复合材料
2、Al₂O₃f/Al-MMC的性能
（1）氧化铝纤维增强铝基复合材料的性能
连续氧化铝纤维具有强度高、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、抗烧蚀等优异特性，以它为增强体制备出的连续Al₂O₃纤维增强铝基复合材料(Al₂O₃f/Al)具有以下特点：
低膨胀： 氧化铝纤维可限制金属铝的因温度导致的体积变化，因此，具有热膨胀系数低，尺寸稳定性好，适用于精密仪器和高温部件。
高耐磨：氧化铝莫氏硬度约为9，氧化铝纤维增强的铝基复合材料的在耐磨过程中，氧化铝起到耐磨的作用，基体金属铝则起到锚固氧化铝的效果，因而，氧化铝金属基复合材料的耐磨性可比单一金属提高数倍。
高强高模：氧化铝连续纤维的加入，显著提升了材料的力学性能，使其能够承受更大的载荷。耐高温：氧化铝纤维的高熔点（2000℃以上）可使铝基复合材料的高温应用温度提升150℃左右。
轻量化：密度仅为钢的1/3，却能提供与之媲美的强度，是航空航天领域减重增效的“利器”。
可设计： 通过调整纤维的含量、排列方式等，可以定制材料的性能，满足不同应用需求。
表3.1 连续氧化纤维增强铝基复合材料与金属材料性能对比表
（2）氧化铝纤维增强铝基复合材料制品
面对挑战，我国科研人员经过多年艰苦的技术攻关，取得了重大突破，实现了氧化铝连续纤维增强铝基复合材料的棒材、板材、管材以及复杂形状构件的精密成型，为工程化应用奠定了基础。
四、市场应用情况
连续氧化铝纤维增强铝基复合材料凭借其优异的服役性能应用在航空航天、汽车交通、电力等领域，其应用领域及应用典型如下：
表4.1 连续氧化铝纤维增强铝基复合材料应用场景
应用代表一：输电领域
美国3M公司使用连续性Al₂O₃纤维增强铝基复合材料(Al₂O₃f/Al)制备输电线。其Al₂O₃f/Al输电线的抗拉强度达到1.5Gpa，电导率相比于传统导线提高400%，热膨胀降低50%，大大降低了输电能耗，有效解决了长距离输电时，电力导线垂度大、强度不够等问题。2007年，上海220KV新干线的改造工程中，应用了Al₂O₃f/Al输电线为世博会区域供电，为世博会期间的正常电力供应做出了巨大的贡献。2008年，重庆220KV水双南北线改造中，也采用了该导线，取得较好的经济效益与社会效益。
图4-1：3M ACCR电网架空线 导线助力架空输电线路性能提升
图4-2：导线载流量的变化对弧垂的影响
图4-3:输电线用连续氧化铝纤维增强铝基复合材料
图4-4：国家电网按装应用连续氧化铝纤维增强铝基复合材料输电线
应用代表二：汽车领域
日本丰田汽车使用氧化铝纤维增强铝基复合材料代替汽车上传统金属活塞，大大提高了活塞的耐烧蚀性、耐磨性、热振性，年产量达到十万件。
图4-5:日本丰田汽车活塞用氧化铝纤维增强铝基复合材料
应用代表三：国防领域
美国陆军早在20世纪70年代末期就对Al₂O₃/Al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～ 680kg下降到272～362kg，减轻近50%，行程、弹药装载量、动力等均得到明显提高。
图4-6：坦克用氧化铝纤维增强铝基复合材料履带
应用代表四：航空航天领域
采用连续氧化铝纤维增强铝基复合材料代替传统航空材料，大大提高了航空飞机的承载能力和使用寿命，保障了飞行器的安全性和可靠性。
图4-7：航空航天用连续氧化铝纤维增强铝基复合材结构件A：轻型先进机械臂；B：钛MMC强化的小型发动机支撑杆；C：TiMMC卫星推进剂储罐；D：空客A320（集成翼项目）下侧撑杆组件及起落架部件；E：飞轮储能转子
连续氧化铝纤维增强铝基复合材料，作为一种新兴的轻量化高性能材料，正在引领材料科学的革命。众多科技人员的艰辛付出在该领域取得了重大突破，为材料的工程化应用奠定了坚实基础。相信随着工业化技术的不断进步，它将在更多领域大放异彩，为社会创造更加美好的未来！
查看更多