分享：航天装备牵引下的铝基复合材料研究进展与展望

马宗义,, 肖伯律, 张峻凡, 朱士泽, 王东

非连续增强铝基复合材料(以下简称铝基复合材料)是金属基复合材料家族中研究和应用最广泛的一类复合材料，它是在铝合金中添加陶瓷颗粒等非连续形态增强相复合而成。铝基复合材料遗传了铝合金与增强材料的力学与物理特性，显示出高比强度、高比模量、耐磨损、低膨胀、高热导以及特殊功能特性(如中子吸收)，并在复合效应下产生良好的抗疲劳、抗蠕变、耐热、减振等优点。铝基复合材料的制备加工工艺与金属兼容，可使用金属材料的设计准则进行零件结构设计。同时，其自身性能具有很强可设计性，通过选取不同基体铝合金种类和增强相类别、含量与尺度，获得结构或功能特性，用于承力结构、传动机构、热沉结构以及辐照等极端环境。

20世纪80年代末，铝基复合材料在首批“国家高技术研究发展计划”支持下出现了研究热潮，但随后长期处于需求牵引有限与关键技术瓶颈突破困难的低潮时期。由于性能数据积累有限、有效预测手段缺乏、原材料与制备工艺优化原理不清、构件制造经验不足等原因，铝基复合材料塑韧性瓶颈难以突破，性能不稳定、构件意外变形开裂等问题屡屡出现，使铝基复合材料一度成为高技术装备设计选材时的“慎用材料”，长期处于“坐冷板凳”状态。

令人欣慰的是，在我国深空探测、载人航天、高分辨对地观测以及大型核电站等重大工程任务的强劲牵引下，科研人员通过长期不懈努力与自主创新，以SiC颗粒增强Al (SiC/Al)为代表的铝基复合材料厚积薄发，快速发展并形成产业，成为我国战略性新兴产业新材料目录中的关键一员，助力多个国家重大工程任务成功实施。其中，铝基复合材料优异的力学、物理特性在“祝融号”火星车上得到集中展现。

“祝融号”火星车是我国第一个行星探测器“天问一号”的重要组成部分，承担着星面巡视和探测重任。火星表面沙丘、砾石遍布，温度可达-133~30℃，昼夜温差可达100℃。在严苛与复杂的热、力服役环境下，不同铝基复合材料分别应用于火星车结构、机构与仪器，为火星车顺利完成90个火星日的探测任务提供了有力支撑。

本文回顾了为“祝融号”火星车研制不同特性铝基复合材料所开展的有限元模拟计算、基体合金优化设计以及残余应力表征等关键问题研究，并对未来先进装备发展所需的铝基复合材料快速响应研发模式进行了概述与预测展望。

1 铝基复合材料力学性能仿真优化

以火星车承载结构部件为例，铝基复合材料不仅要有比铝合金高50%以上的弹性模量，而且强度至少比常用的高强铝合金提升30%，而且延伸率不低于5%，才能满足结构减重、服役受载时不变形开裂的要求。由于弹性模量与所添加增强相的种类和数量相关，因此材料设计主要考虑既定增强相种类和数量下，影响铝基复合材料强度和延伸率的关键因素。然而，铝基复合材料的强度受基体合金种类、增强相自身及其添加对基体合金组织造成的复杂变化(如晶粒、位错、残余应力等)的控制，用传统试错法难以逐一解析，要理性设计组织十分困难，而且研发成本高、周期长。有限元模拟辅助设计方法可以开发虚拟组织的铝基复合材料，设定不同的增强体形貌、尺寸和分布，并根据Al基体种类、增强体类型以及不同界面结合强度设定各自力学属性，能够在材料制备之前对特定性能指标的铝基复合材料开展组元和组织评估，从而提高材料设计的效率。

为使有限元构筑的虚拟组织所计算的性能尽可能接近实验结果，人们对增强体形貌和分布建模、更合理的增强机制模型、更准确的界面描述方式等开展了研究。如图1所示，开发了凸多面体随机切割结合随机插入算法[1]，获得增强体和基体具有清晰边界的代表性体积单元(RVE)模型；开发了三维成像辅助建模方法[2]，获得了具有真实增强体结构的RVE模型；开发了堆垛模拟辅助建模方法，获得了高体积分数的颗粒增强铝基复合材料的RVE模型[3,4]。

图1

图1   典型铝基复合材料代表性体积单元(RVE)模型

Fig.1   Typical representative volume element (RVE) models of aluminum matrix composite

(a) RVE with interfacial layer structure

(b) RVE model reconstructed by 3D nano-CT

(c) ball-and-stick hybrid dense stack RVE model

在构建起RVE模型基础上，第二个难题是如何准确模拟界面特性对复合材料整体力学性能的影响规律。常用的Cohesive element模型可预测界面开裂[5~7]，但该模型将界面抽象为一个面，由3个应力分量描述界面受力，与常规材料力学模型使用6个应力分量的状态不一致，也与复合材料中界面具有一定厚度的实际情况不符。为了让界面属性能够代表近界面区域对整体力学性能的影响，开发出“铝合金基体+界面+增强体”三相RVE结构模型[8]，可使用常规材料力学模型描述界面属性，有利于简化计算模型，并有效模拟界面开裂行为对铝基复合材料力学性能的影响规律。

铝基复合材料的力学性能受到载荷传递强化、应变梯度强化、热残余应力强化、细晶强化和基体损伤等多种机制的联合影响，为了保障模拟获得精确的力学性能，需要建立力学模型准确描述材料的变形力学行为。为了综合描述多种机制的协同作用，在接近真实结构的RVE模型基础上开发了适用于典型SiC/Al复合材料的增强型有限元模型[9]，可以准确模拟颗粒尺寸与取向等效应，定量分析各种强化/损伤机制以及残余应力对力学性能的作用。根据该模型的计算，载荷传递贡献最大；颗粒尺寸效应体现为细晶强化，能提高小颗粒复合材料的屈服强度；应变梯度强化仅对加工硬化率提升作用明显；残余应力的强化效果较弱，并且几乎不提高复合材料的加工硬化率；残余应力和应变梯度协同作用时，能进一步提高复合材料的屈服强度。

基于RVE的有限元模拟结果，可以根据热、力作用以及组织均匀性对大尺寸构件性能波动进行客观解释与定量评价，为反向指导原材料设计与制备工艺提供了依据，这也改变了长期以来对铝基复合材料性能控制因素认知不清的局面。由此，能更理性地设计原材料特征参数、筛查制备过程中影响颗粒取向、分布等组织特性的因素以及优化热处理工艺调控残余应力等[10]，避免因机理不清开展反复试错而产生的巨大消耗使研发受阻，对铝基复合材料的性能预测与强韧性提升提供了高效可靠的新方法。

2 火星车承载结构用高强韧铝基复合材料开发

高强韧铝基复合材料增强相含量一般低于25% (体积分数，下同)，依然保留着铝合金可加工、塑韧性好的优点。其增强相的添加主要用于提升铝合金的模量、强度和耐疲劳等性能，因而该类复合材料适用于承载结构件。尽管纳米尺度的增强相(如碳纳米管(CNT)、石墨烯(GNP)等)能显著提升材料强度，但由于分散困难，增强相含量难以提升，材料的弹性模量增加有限，如图2[11~25]所示。相比于纳米级增强相，微米级增强相分散容易，添加量设计自由，能兼顾强度和模量，相比铝合金能显著降低结构质量和尺寸占用比，成为目前应用最典型的一类铝基复合材料。

图2

图2   微米颗粒(M-AMC)及纳米颗粒铝基复合材料(N-AMC)的比强度和比模量[11~25]

Fig.2   Specific strength and specific modulus of aluminum matrix composites reinforced by micron (M-AMC) and nano (N-AMC) particles[11-25] (CNT—carbon nanotube, GNP—graphene nanoplatelet)

2.1 Al-Cu-Mg系高强韧铝基复合材料

长期以来对铝基复合材料的强韧性调控主要关注颗粒尺寸、分布、界面结合以及相应的制备工艺调控原理等，对铝合金基体关注较少，几乎都是直接采用商用牌号铝合金。通常制备高强度铝基复合材料选用高强度Al-Cu-Mg合金，如2014Al、2024Al合金；如果需要设计导热好、低膨胀的铝基复合材料，则通常选取强度低、塑性较好的Al-Mg-Si合金，以补偿较高含量陶瓷颗粒添加所产生的脆性。随着对铝基复合材料组织性能认识深入，人们发现由于陶瓷颗粒添加会改变基体合金成分和组织，进而影响力学性能，因此在商用牌号铝合金基础上进行成分调整，成为挖掘铝基复合材料强韧性的重要手段。

以Al-Cu-Mg系合金为例，目前应用最典型的2009Al合金是1990年由美国注册，几乎专门用于制备铝基复合材料，其合金成分(质量分数，%)为：Cu 3.2~4.4，Mg 1.0~1.6，Si 0.25，Fe 0.05，Zn 0.1，Al余量[26]。2009Al合金中Mn、Fe、Ti、Zn、Zr等微合金元素极少，有利于改善复合材料的塑性。张琪等[27]利用粉末冶金技术，使用Al、Cu、Mg粉为原料，通过真空烧结完成固态合金化，高效地优化了2009Al合金成分，进而实现了SiC/2009Al复合材料的快速研发。其中，17%SiC/2009Al复合材料自然时效态下屈服强度约为380 MPa，抗拉强度可达550 MPa，弹性模量可达98 GPa，而延伸率仍能保持在6%~8%。这些性能显著优于传统2024Al合金制备的相同种类复合材料，对于提高火星车服役可靠性与减重效益意义重大。目前，SiC/2009Al复合材料棒、环、管、锻件和异型材还广泛用于嫦娥5号、空间站等多个航天与国防关键工程型号，这表明SiC/2009Al复合材料已发展成熟。

2.2 Al-Mg-Si-Cu系可冷加工高强复合材料

为最大程度实现轻量化，承载结构零件要进行拓扑优化，这要求铝基复合材料不仅要有高强度，还应具有较好的成形性和加工性。常用的SiC/2009Al复合材料虽在淬火后短时间内具有强度与硬度低、塑性好的特点，但其自然时效硬化迅速，淬火后室温放置(自然时效)仅数小时强度和硬度便可接近峰值态，导致冷变形加工与切削加工性能恶化，即使矫正淬火畸变也很困难。因此，SiC/2009Al复合材料的冷变形加工无法进行，且切削加工难度大。基于上述问题，在火星车车轮选材之初，选用了自然时效硬化倾向较弱的Al-Mg-Si系合金为复合材料基体。以17%SiC/Al-1.2Mg-0.6Si复合材料为例，其固溶淬火后进行自然时效1周，屈服强度不足17%SiC/2009Al复合材料的60%，而延伸率约为后者的1.6倍。低屈服强度可以降低变形抗力和切削应力、减轻弹性回弹，并减弱SiC颗粒断裂倾向。而较高的延伸率可以为冷变形加工提供更多塑性余量，且可显著提升冲击性能。

然而，SiC/Al-Mg-Si复合材料经过自然时效后再进行人工时效时，硬化能力相比淬火后直接人工时效减弱，即产生自然时效负效应，导致强度下降[28~30]。研究[24]表明，17%SiC/Al-1.2Mg-0.6Si复合材料和Al-1.2Mg-0.6Si合金在自然时效期间形成的原子团簇，均会在人工时效时强烈抑制β''相(Mg4 + x Al3 - x Si4，x为0~1[31])形成，且部分团簇会转变成易粗化的β'相(Mg9Si5[32])，使析出相总含量降低且平均尺寸增大(图3a和c[24])，进而引发自然时效负效应。而复合材料中的淬火位错可促进析出相沿位错形成(图3b和d[24])，能够减轻自然时效对析出相总含量的降低作用，因此复合材料的自然时效负效应弱于相同成分的铝合金。

图3

图3   17%SiC/Al-1.2Mg-0.6Si复合材料在淬火后直接人工时效态和先自然时效1周后人工时效态的析出相形貌[24]

Fig.3   Precipitate morphologies of 17%SiC/Al-1.2Mg-0.6Si composites in directly artificially aging state (a, b) and one-week natural aging then artificially aging state (c, d)[24]

通过向Al-Mg-Si合金中添加Cu，可形成具有良好强化作用的L相(一种成分尚不确定的无序结构含Cu相[33])，并抑制β'相形成，进而使复合材料人工时效态的强度和硬度提高[22,34]。此外，Cu可以促进自然时效团簇向β''相和L相转变。与β'相不同，β''相和L相不易粗化，故自然时效团簇向它们转变可以减轻自然时效负效应。由此研制的17%SiC/6092Al (Al-1.2Mg-0.6Si-1.0Cu)复合材料，其自然时效态下延伸率高，因负效应导致的强度降低不足5%，而人工时效后的屈服强度高于常用的17%SiC/2009Al复合材料(如表1所示)。但添加过多的Cu元素并不能彻底消除自然时效负效应，而且会增加自然时效硬化，降低冷加工性能。

表1   不同成分及时效工艺复合材料的性能对比

Table 1  Comparison of mechanical properties of composites with various compositions and aging processes

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借鉴Al-Mg-Si-(Cu)系合金预时效工艺，对17%SiC/6092Al复合材料淬火后立刻施加预时效处理，可形成硬化能力弱且容易向β''相和L相转变的原子团簇[35]，在减弱自然时效硬化的同时，进一步抑制自然时效负效应。最优预时效工艺下，自然时效负效应可完全消除。经预时效处理的17%SiC/6092Al复合材料，其自然时效态屈服强度仅250 MPa，约为17%SiC/2009Al复合材料的65%，延伸率约为它的1.6倍；人工时效后，17%SiC/6092Al复合材料的屈服强度较17%SiC/2009Al提高55 MPa，延伸率仅略有降低(表1)。因此，将17%SiC/6092Al复合材料用于火星车车轮，在减重的同时可显著提高其在着陆与巡视探测时承受复杂力学载荷的可靠性。

3 火星车传动机构与仪器用中高陶瓷含量铝基复合材料开发

3.1 中高陶瓷含量铝基复合材料的制备与性能特性

中等陶瓷含量(体积分数为25%~45%)铝基复合材料的模量、硬度、线膨胀特性明显优于高强韧性铝基复合材料，而且强度也保持在较高水平，因此可作为结构与功能一体化材料使用。由于中等陶瓷含量的铝基复合材料仍保持金属特性，因此能进行挤压、锻造等塑性变形加工，不仅可以通过模锻等方法提高材料利用率，而且力学性能经变形加工可显著改善。例如SiC颗粒含量为40%的铝基复合材料，其热膨胀系数可与钢媲美，弹性模量可达145 GPa，这些特性能满足传动机构对刚度、耐磨性与抵御冷热交变尺寸稳定性的需求，而经过锻造、热处理后，屈服强度可超过450 MPa，能满足发射过载、着陆冲击、传动受力与耐磨等工况。

高陶瓷含量(体积分数一般为50%~70%)铝基复合材料具有更高的弹性模量与更低的线膨胀系数，特别是其热导率比铝合金更高，通常用作热环境下的功能材料。典型的高体积分数SiC/Al弹性模量与钢铁材料接近，线膨胀系数与钛合金相同，热导率优于铝合金，如SiC含量为60%的铝基复合材料的弯曲强度为450 MPa、弹性模量为200 GPa、热导率为210 W/(m·K)、线膨胀系数为8.5 × 10-6℃-1，这些优异的综合性能使其能应用于大功率半导体热管理部件、高尺寸稳定性光学仪器结构部件。该类复合材料中Al基体主要充当增强颗粒间的连接与传导介质，颗粒间距小于颗粒尺寸，颗粒之间的铝合金受静水压力与应变硬化作用明显，无法满足变形加工的流动性，通常制备成坯锭后就直接进行零件切削加工。

由于陶瓷颗粒在自然堆垛时就能达到40%以上的松装密度，向陶瓷预制体中的空隙渗入熔化的Al液，凝固后就能获得形状各异的坯料，因而浸渗法成为中高陶瓷含量铝基复合材料的常见制备技术。依据Al熔体浸渗的动力来源，浸渗法通常可分为无压浸渗和压力浸渗。除了浸渗法，粉末冶金法也逐渐发展成为制备中高陶瓷含量铝基复合材料的关键技术。粉末冶金法以其制备的铝基复合材料均匀性高、致密度好等特性，以往主要用于制备中低陶瓷含量复合材料。由于粉末冶金技术容易实现坯锭尺寸放大与规模化制备，而且Al粉和陶瓷颗粒在压力下实现结合，不需要熔化，因而能有效减轻陶瓷颗粒与铝合金之间的界面反应；在较低温度下热压烧结，还能避免液相冲刷造成的颗粒偏析等问题。中国科学院金属研究所2017年实现了直径1500 mm的SiC/Al坯锭制备，被铝业专家王祝堂先生喻为“天下第一大锭”。目前使用粉末冶金法，已制备出直径2200 mm、重量达6 t的特大型高体积分数SiC/Al坯锭(图4)。

图4

图4   粉末冶金法制备的高陶瓷含量铝基复合材料大尺寸坯锭

Fig.4   Large-sized aluminum matrix composite billet reinforced by high-content ceramic particles prepared by powder metallurgy route (unit: mm)

3.2 铝基复合材料残余应力调控方法

残余应力调控对仪器等结构用中高陶瓷含量铝基复合材料的意义，不亚于承载结构用铝基复合材料强韧性的调控。在铝基复合材料中常用的陶瓷颗粒与Al基体的热膨胀系数相差很大，以SiC/2124Al为例，2124Al的室温线膨胀系数为21.6 × 10-6℃-1，而SiC仅为4.3 × 10-6℃-1。热膨胀系数的显著差别使铝基复合材料在热处理或热加工后的冷却过程中产生高而复杂的残余应力，严重影响材料的性能与工件的尺寸稳定。陶瓷颗粒含量越高、坯锭尺寸越大，残余应力对性能的影响越显著。此外，残余应力还会在铝基复合材料的切削加工以及零件放置与服役过程中释放，导致光学仪器等精密结构件因残余应力而变形失效。

为了调控残余应力，首先要精准分析表征残余应力的大小和分布。常规的破坏性实验方法，如钻孔法、应变片法等，只能获得构件尺度的第一类残余应力(宏观残余应力)，难以获得铝基复合材料中最关键的相间残余应力(微观残余应力)。同步辐射X射线及中子衍射技术，是获得铝基复合材料残余应力的关键实验手段，已有研究利用这些方法研究了铝基复合材料残余应力与制备加工工艺参数的关系[36,37]、变形过程中的增强相与基体合金残余应力演变[38]等，为铝基复合材料中的残余应力定量分析提供了可靠方法，为残余应力的控制提供了定量指导依据。

由于精确测量铝基复合材料残余应力所需中子衍射或同步X射线设备机时稀缺、实验耗时耗力，数值模拟预测成为重要的技术手段。单一尺度的传统有限元方法不能同时考虑铝基复合材料中宏观和微观残余应力，目前在金属基复合材料的残余应力数值模拟中，最常使用的方法是通过构建增强体尺度的RVE模型，通过变温或者传热过程的模拟，获得相间的残余应力[10,39,40]。利用该方法获得的计算结果与实验值十分接近，并清晰地表现出基体、增强相中淬火总残余应力的微观分布形态均由热错配残余应力决定。该方法为了解铝基复合材料中宏观和微观残余应力的形成、分布特点以及数值大小提供了有效手段，为控制复合材料宏观和微观残余应力提供了理论依据。然而，这种方法在表征构件尺度宏观残余应力对不同相之间的微观残余应力影响方面仍有难度。为此，中国科学院金属研究所开发了构件和增强体2个尺度的多尺度耦合模拟方法，将构件尺度的残余应力施加到RVE模型中，从而获得了更为准确的铝基复合材料相间残余应力[41]，为铝基复合材料的精准残余应力模拟提供了研究方法。

对粉末冶金法制备的中高陶瓷含量铝基复合材料，通过少量中子衍射对标准试样的测试，辅以数值模拟方法的系统定量分析，实现了以残余应力调控为导向的热处理工艺优化。利用该类材料低热膨胀、高热导、高模量等特性，成功应用于火星车传动机构驱动部件与探测仪器。此外，粉末冶金制备的大尺寸坯锭经去应力热处理，整体加工成高精度大尺寸构件，长时间放置不变形，比以往小块拼接的铝基复合材料构件稳定性更优，因而广泛应用于激光通信器、星敏支架等光学仪器，为风云、高分、北斗等多个型号系列卫星光学遥感系统的设计与制造提供了重要支撑。

4 未来铝基复合材料发展机遇与研发新模式

随着航天、航海、交通、制造等强国战略目标的提出，未来高技术装备的跨代发展将为铝基复合材料带来前所未有的机遇。除了在飞行器结构应用，铝基复合材料还可用于移动电子设备、通讯基站、车辆、机械等民用基础设施和产品，需求可望呈现井喷式增长。同时，多样化、规模化、复杂化的应用需求也给铝基复合材料性能升级、规模化制备技术、研发响应速度提出更高的要求。由于铝基复合材料特有的复杂多组元、多尺度特性(基体合金元素、晶粒、析出相、界面；增强体尺寸、形态、空间分布等)，使材料设计、表征与组织性能控制比合金更复杂。在这些复杂因素交互作用下，传统的材料研发模式和表征手段很难使复合材料制备与性能水平得以快速突破，无法适应装备快速发展的形势。因此，铝基复合材料的研发也急需从传统试错法与单纯有限元模拟向更高效、可靠的模式转变。

4.1 材料基因工程

材料基因工程研究特点是以数据驱动实现材料的高通量集成计算设计，以高通量制备、快速表征和多尺度模拟技术支撑迭代优化，从而实现研发成本与周期“双减半”。目前，材料基因工程研究在低维材料、金属有机框架材料和多元合金等材料中获得显著进展，包括高通量表征测试方法、材料数据库、材料信息学和计算验证技术等。在此基础上发展出智能优化算法和数据驱动的材料设计方法，配合材料高通量制备和多维跨尺度原位快速高通量表征技术，形成从设计到应用的全链条集成优化系统的研究新范式。但对具有复杂组元和跨尺度组织特性、制备更难的金属基复合材料，材料基因工程关键技术的建立极具挑战性。相关研究尚处于起步阶段，主要包括多尺度模拟、少量高通量实验和大数据处理等。

在金属基复合材料的多尺度模拟方面，现有研究主要集中在利用第一性原理[42,43]、分子动力学[44,45]、有限元[2,5,8,46]等多种模拟方法，实现了金属基复合材料从原子尺度到构件尺度的模拟分析。第一性原理能从原子尺度计算，例如表征单原子空位石墨烯与Al的界面结合能[42]，以加深对材料性能控制机理的理解。分子动力学模拟可以计算模拟从微观到介观的材料行为，例如界面开裂的力学行为[44]，并延伸到整体拉伸力学性能模拟[45]，能更清晰地揭示受载响应行为与性能关系。有限元模拟可以在构件和增强体2个尺度对金属基复合材料的强韧化和变形行为进行数值分析。近年来快速发展的RVE模型在金属基复合材料的性能预测和微观机理的分析上也发挥了越来越多的作用，可利用RVE预测铝基复合材料的开裂行为[8]，分析热残余应力和变形对SiC/Al复合材料中的应变梯度的影响等[9]。在构件尺度的变形加工模拟上，有限元模拟能对铝基复合材料塑性变形加工提供高效可靠的辅助手段，进而有效提高工艺优化效率。

“十三五”以来，在国家重点研发计划项目的支持下，国内多家单位组建团队利用材料基因工程思想开展金属基复合材料研发，初步建立了铝基、钛基复合材料界面化学、热/动力学数据库；开发了以浸渗法、粉末冶金法为基础的均匀组织复合材料的高通量制备技术[47]；搭建了高通量表征装置与平台；开辟了复合材料组织性能调控多尺度模拟技术。这些工作为快速研发高性能金属基复合材料奠定了基础。

4.2 大科学装置在金属基复合材料中的应用

继传统金相学、电子显微学之后，基于中子源与同步辐射光源的原位探测技术正在成为金属材料表征新技术。目前在中子源和同步辐射光源原位实验研究方面，典型成果包括铸造铝合金高温疲劳损伤过程的三维形貌同步辐射原位成像[48]，以及对粉末层压过程中的晶粒及渗滤路径演化[49]，利用中子成像原位观测Cu-Co合金在凝固过程中的相分离行为[50]等。此外，基于同步辐射光源正在致力于发展纳米成像和纳米电子计算机断层扫描(CT)、运动衬度成像等，以实现材料内的不同层级结构的跨尺度分析及弱信号的原位无损表征；中子源也正在积极开发更加符合材料真实制备加工和服役环境的原位实验和多维度探测系统。

凭借中子源的高穿透性和大面积探测能力，以及同步辐射光源的高时空分辨优势，可在逼近真实制备与服役的环境中，对铝基复合材料中跨尺度、复杂的组织参量开展高精度原位表征和信息统计，可望实现多参量原位探测与集成调控。目前中子和同步辐射实验表征已用于铝基复合材料研究，如利用中子衍射原位拉伸实验(图5[51])和应力平衡条件计算分离出增强体中的平均应力，解决了CNT/Al复合材料的载荷传递强化机制定量测量难题，定量分析了CNT/Al中的载荷传递[51]，为CNT/Al复合材料的成分和结构设计提供了可靠的数据支撑。利用同步辐射原位拉伸分析，研究了Ti/Al层状复合材料的应力应变演化行为和裂纹演化行为，揭示了复合材料的强韧化机理，指导高强韧层状复合材料的开发[52]；利用同步辐射三维成像技术构建了真实增强体结构的B4C/Al复合材料RVE，通过有限元变形应力应变分析，获得了高精度的载荷传递和应力应变演化行为，为复合材料的力学性能优化提供了可靠的数据参考[2]。

图5

图5   原位中子衍射实验实验装置和衍射图样[51]

Fig.5   In situ neutron diffraction experiment[51]

(a) experiment apparatus (b) diffraction pattern

国内外快速发展的同步辐射X射线和中子原位多尺度表征技术，为复杂多组元多尺度结构的铝基复合材料提供了新的表征手段。而材料基因工程技术则加快了新型铝基复合材料的研发进程，2者结合有望突破高性能铝基复合材料性能水平、构建新型制备加工方法以及实现服役可靠性的高效精准预测等，成为未来快速研发铝基复合材料的关键手段。

5 总结与展望

我国铝基复合材料自20世纪80年代开始研发，经历了长时间的自主创新与技术积累。在国家重大工程任务牵引下，突破了复合材料设计与规模化制备加工等关键技术瓶颈，发展起有限元预测计算技术、残余应力模拟方法，由此指导复合材料的组织性能优化调控。所制备的高强韧铝基复合材料、中高陶瓷含量铝基复合材料的性能达到国际同行水平，在以“祝融号”火星车为代表的重大装备中获得成功应用，有力支撑了多个重大专项任务的成功实施。

未来随着铝基复合材料高效计算方法、数据库建设、高通量制备与表征技术的进一步发展，材料基因工程研究方法必然会成为铝基复合材料研究的重要手段，助力复合材料快速研发与应用。中子/同步辐射等大科学装置的表征方法、实验装置、数据分析技术等进一步完善，必然能够助力铝基复合材料突破现有性能瓶颈。凭借材料基因工程研发新范式和大科学装置表征新手段，铝基复合材料必然能够迎来更快速的研发和更高的性能，为国家航空、航天、海洋领域重大工程建设提供支撑。