先进复合材料是一类具有高强度、高模量、轻质、良好延展性和其他所需功能特性的材料。一般来说，复合材料是指至少具有两相的材料，基体材料具有连续性是复合材料的主要成分，纯金属或其合金都可以作为制造复合材料的基体相。复合材料的次要成分是增强相，一般为非连续形式，有纤维、颗粒或晶须等多种类型。金属基复合材料(metal-matrix composite,MMC)是以金属为基体，增强相通常为氧化物、碳化物等微米级或纳米级陶瓷颗粒[1]，广泛应用于汽车、航空航天和军事工业。其中，颗粒增强的金属基复合材料具有各向同性、易于制造等特点，与纤维增强MMC相比更便宜。根据增强相的尺寸，金属基复合材料可分为使用宏观或微观尺寸颗粒增强的传统铝基复合材料和使用纳米颗粒增强的铝基复合材料。颗粒的尺寸通常为数十至数百微米，导致延展性、韧性和强度等机械性能大幅下降。而使用纳米级颗粒来强化金属基体，即所谓的金属基纳米复合材料(metal-matrix nanocomposite,MMNC)，能同时保持良好的延展性、高温蠕变性和更好的疲劳性[2]。
铝基复合材料基体主要有纯铝和铝合金两种。纯铝因其强度低、导热导电及塑性好等特点，常用于制备对强度要求较低但导热导电性能较好的复合材料。铝合金相比于工业纯铝展现出更高的强度，被广泛应用于铝基复合材料基体中。使用铝基复合材料(aluminium-matrix composites,AMCs)可以生产质量相对较低的高强度部件或机器[3]。这种高强度、低质量的材料在航空航天和汽车领域具有很高的应用价值。常见有纳米颗粒Al2O3、SiC、B4C、TiC等增强AMCs。Al2O3、SiC和B4C性能优越、容易获得、价格低廉，但如果有特殊性能要求，也可以选用成本较高的TiC等纳米颗粒[4]。颗粒增强铝基复合材料目前主要通过固态加工(如粉末冶金、机械合金化等)、液态加工(如搅拌铸造、挤压铸造等)、固液混合法等制造。固液混合铸造工艺是Chen等[5]于2001年提出的，近年来又出现了一些相关改进工艺。
在全球节能减排、绿色化发展的大背景下，世界新能源汽车的生产量逐年增加，汽车制造业正朝着轻量化、低能耗、高性能的方向发展，铝基复合材料质重比高、延展性好、热膨胀系数低，具有良好的耐磨性和阻燃性，被大量应用于汽车领域。
本文讨论搅拌铸造、挤压铸造、固液复合、复合烧结铸造等液态途径生产的外加纳米颗粒增强铝基复合材料，及这些方法对颗粒增强铝基复合材料性能的影响，重点介绍近年来在使用不同制备方法加工纳米颗粒增强铝基复合材料方面开展的工作及其在汽车领域的应用，并对未来发展进行了展望。
1 制备工艺和机械性能
1.1 搅拌铸造法
搅拌铸造是生产纳米颗粒增强铝基复合材料的一种简单而经济的液态方法，是传统铸造工艺的升级版。传统铸造法生产的铝基复合材料难以将增强材料均匀混合在基体中，基体和增强材料的密度差异阻碍了增强材料在基体中的分布，并造成了团聚的形成，而在熔融混合物中使用搅拌器可以一定程度避免这种情况的发生。将陶瓷纳米材料加入到熔融的铝合金基体材料中，使用高速旋转的机械搅拌装置均匀混合液相和固相，然后将混合物浇铸成铸锭，这种方法一定程度上使强化相能够均匀地分布在基体中，并且基体和强化相之间的界面结合比较良好[6]。
Amouri等[7]用A356铝合金作为金属基体，平均粒径为50nm和5 μm的SiC粉末作强化相，采用搅拌铸造技术生产了A356-纳米SiC(0.5%和1.5%，质量分数)和A356-微米SiC(5%，质量分数)复合材料，测得含有质量分数为1.5%的纳米SiC复合材料拉伸和压缩强度最高。Srinath等[8]采用标准搅拌铸造方法，成功制造出了含有质量分数为5%、10%、15%和20%纳米SiC颗粒增强材料的Al-6082合金复合材料。强度评估结果表明，对于需要最大硬度和压缩载荷的应用，含有20%纳米SiC增强材料的Al-6082MMC最为合适。在需要最大拉伸载荷的应用中，添加15%纳米SiC增强材料的Al-6082MMC最合适。此外，冲击强度评估表明，这种复合材料非常不适合在有冲击载荷的条件下使用。Karbalaei Akbar等[9]通过搅拌铸造法制备了体积分数为1.5%Al2O3和部分Al2O3-金属混合粉末增强A356合金纳米复合材料，熔融合金使用配备石墨搅拌系统的电阻炉熔化并进行搅拌铸造，搅拌装置如图1所示。结果表明，Al2O3混合金属粉末增强复合材料的晶粒尺寸小于纯Al2O3增强样品，且与纯Al2O3纳米颗粒增强复合材料相比，一些使用Al2O3金属混合粉末增强的复合材料显示出更高的机械性能，这种性能提升与微观结构研究显示的纳米颗粒均匀分布及A356基体晶粒细化密切相关。
图1 搅拌装置示意图[9]
Fig.1 Schematic diagram of the stirring device design[9]
Abdizadeh等[10]通过搅拌铸造和粉末冶金(powder metallurgy,PM)方法，使用A356铝合金和纳米MgO颗粒(1.5%、2.5%和5%，体积分数)制备了A356-纳米MgO复合材料。搅拌铸造的加工温度分别为800、850和950 ℃，粉末冶金的加工温度为575、600和625 ℃。与搅拌铸造样品相比，粉末冶金样品显示出更多的孔隙率，说明搅拌铸造复合材料的密度值(接近理论密度)高于烧结样品，同时搅拌铸造复合材料的抗压强度值高于烧结样品，这主要是由于在搅拌铸造方法中，铝基体更均匀、孔隙率更小、纳米MgO颗粒的润湿性更好。Kaliappan等[11]采用搅拌铸造法成功制备了Al-6061-AlN(50nm)-SiC(50nm)混合复合材料，加入纳米SiC和AlN颗粒后，AlN-SiC增强颗粒在基体中均匀分散，颗粒-基体界面结合好，拉伸强度、压缩强度和硬度分别从328MPa增加到385MPa，145 MPa增加到178MPa，302HV增加到724HV。Suresh等[12]用纳米Al2O3颗粒作为增强相与Al-7075合金和镁(固定比例为1%)制成了一种混合铝基复合材料。结果表明，在铝基体中加入纳米Al2O3增强颗粒可提高机械性能和耐磨性能。Harsha等[13]通过搅拌铸造工艺成功制造出了纳米ZrO2颗粒增强铝基复合材料，与未增强的样品相比，5%纳米ZrO2颗粒增强铝基复合材料的硬度提高了22.5%，压缩强度增加了23%，纳米颗粒在基体中均匀分布，通过奥罗万绕过机制为主导，协同位错增殖、晶粒细化和载荷传递等多种方式，全方位、多尺度地阻碍位错运动，从而大幅提高了材料的屈服强度和抗拉强度。
显然，纳米颗粒可以显著增强铝基复合材料的性能。尽管与其他制备技术相比，搅拌铸造法有很多优点，如制造成本低，能轻松形成复杂的工件，工艺设备相对简单，可适应大规模生产等。但通过搅拌铸造技术加工MMNC的主要问题是难以实现纳米尺寸颗粒的均匀分散。由于纳米颗粒与基体合金的密度相差很大，而且增强纳米颗粒的比表面积会更大，导致增强材料与基体合金之间的润湿性很差。一方面，纳米颗粒与熔融金属的润湿性降低会导致纳米颗粒在MMNC很难均匀分布；另一方面，较弱的润湿性会导致各成分之间的载荷传递不完全，从而降低材料的机械性能[14]。
为了克服这一缺点，许多研究者采用了搅拌铸造与超声波空化相结合的方法，即在机械搅拌过程中将纳米尺寸的增强颗粒超声分散到熔融的基体合金中，破碎增强颗粒团和团聚体，使其均匀分散，然后再转移到铸造模具中进行凝固。使用高能超声波技术处理金属或合金熔体时，声空化效应产生的瞬时高压和高温可激活颗粒的表面能，降低熔体的表面能。在短时间内改善组分之间的润湿性和相容性，促进颗粒和熔体的融合。该技术是改善金属或合金凝固微观结构及机械性能的有效方法，被广泛应用于制备颗粒增强铝基复合材料中[15]。
Venkatesh等[16]通过超声辅助搅拌铸造法合成了质量分数为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的纳米SiC颗粒增强铝基复合材料，如图2所示。在Al-0.5%SiC、Al-1.0%SiC和Al-1.5%SiC复合材料中观察到纳米SiC颗粒均匀分散，其中1.5%纳米SiC颗粒增强的复合材料UTS值为431 MPa，硬度为163 HV，均优于0.5%SiC、1.0%SiC和2.0%SiC增强的复合材料。Rao等[17]采用超声波空化辅助搅拌铸造方法制造了纳米SiC颗粒增强的Al-7075基体复合材料，所有复合材料中都含有颗粒大小均匀且分散均匀的纳米碳化硅颗粒。通过EDS和XRD表征证实，复合材料中没有形成氧化物、次生相或杂质的痕迹。并且随着纳米SiC颗粒的增加，复合材料的机械性能也得到了显著改善。Madhukar等[18]通过超声波辅助搅拌铸造技术制造了Al-7150-hBN(六方氮化硼)纳米复合材料，并对其机械和耐磨性能进行了研究，发现提高hBN含量可增加纳米复合材料的硬度和强度(151.3～180.2HV和141～255MPa)，纳米复合材料的磨损损耗随着纳米hBN颗粒增加量的增加而降低。Balamurugan等[19]研究了TiC和稻壳灰(RHA)对采用两步超声辅助搅拌铸造工艺制备的Al-6061混合复合材料的增强效果。不同TiC(3%、6%、9%和12%)作为增强相，RHA质量百分比保持不变(3%)。研究表明，含12%TiC和3%RHA的复合材料显示出更好的抗侵蚀性。Yang等[20]采用超声波辅助搅拌铸造法制造了含有纳米尺寸SiC的块状A356纳米铝基复合材料，对其微观结构和力学性能进行了研究，结果表明超声波辅助搅拌铸造法可以改善增强体与基体之间的润湿性，促进颗粒分散，降低孔隙率，提高强度，因此可以作为辅助工艺来改善纳米颗粒在熔体中的分布。Soni等[21]采用超声液体处理(ultrasonic liquid processing,ULP)和球磨(ball milling,BM)进行了预处理辅助熔融搅拌铸造方法制备了Al-6061复合材料(2%SiC)和Al-6061复合材料(2%BN、2%TiO2、2%Al2O3)，机械性能调查显示，通过超声波辅助熔融搅拌法制备的试样比通过传统熔融搅拌技术制备的试样具有更高的强度和硬度。
图2 铸造后复合材料的SEM像：(a) Al-0.5%SiC;(b) Al-1.0%SiC;(c) Al-1.5%SiC;(d) Al-2%SiC[16]
Fig.2 SEM micrographs of the as-cast composites:(a) Al-0.5 wt.% SiC;(b) Al-1.0wt.% SiC;(c) Al-1.5 wt.% SiC;(d) Al-2wt.% SiC[16]
综上所述，超声波辅助搅拌铸造可以有效地将纳米颗粒(小于100nm)分散到合金熔体中，并增强其润湿性，提高其性能，为制备高性能MMNC提供了理想选择。
1.2 挤压铸造法
挤压铸造是将熔融合金通过冲头挤压填充模具在高压下凝固，最后产生轻微变形(变形量等于凝固过程中的合金收缩量)。挤压铸造的特点是采用大浇口面积(与传统压铸相比)和平面填充模具型腔内的金属前沿。这种技术生产的零件具有优越的表面光洁度和较小的孔隙率，兼具铸造和锻造的优点。因此，挤压铸造也被用于制备铝基复合材料。其工艺原理如图3所示，熔融金属被倒入模腔，并在挤压杆的高压下凝固[22]。挤压铸造能有效实现所需的机械、物理和冶金性能。
图3 挤压铸造工艺示意图
Fig.3 Schematic diagram of the squeeze casting process
Kannan等[23]分别用挤压铸造和搅拌铸造制备了质量分数为2%的纳米Al2O3颗粒增强Al-7075铝合金，与搅拌铸造相比，挤压铸造的纳米颗粒增强复合材料极限抗拉强度提高了约16%。Alizadeh等[24]采用搅拌铸造和挤压铸造相结合的工艺制备了质量分数为20%、25%和30%SiCnp增强的Al-5083复合材料。结果表明，在含有30%SiC的样品中，挤压铸造通过高压迫使金属熔体高速冲散团聚的SiC颗粒，并将其强行渗透到团聚体的缝隙中，使其破碎、分离从而减少SiC颗粒的团聚来改善其颗粒分布，并将样品的孔隙率从2.32%降低到1.29%，这些改性导致了机械性能的增强。此外，由于磨损碎片的尺寸减小以及磨损区域更小，通过组合铸造方法制备的样品耐磨性提高。Zhu等[25]采用挤压铸造(squeeze casting,SC)和搅拌铸造相结合的方法制备了SiCnp/Al-6082铝基复合材料，结果见图4。采用搅拌铸造法，复合材料的铸造极限拉伸强度、屈服强度和断后伸长率与未添加SiCnp的6082基合金相比，分别提高了8.92%、12.16%和12.60%；而经过SC处理的SiC-np/Al-6082复合材料致密性显著提高，晶粒也进一步细化，与重力铸造(gravity casting,GC)获得的6082铝合金相比，SiCnp/Al-6082复合材料的极限拉伸强度、屈服强度和伸长率分别提高了29.81%、43.18%和226.28%。
图4 不同铸造方法获得的6082铝合金及SiCnp/Al6028复合材料在铸态和T6热处理条件下的力学性能：(a)抗拉强度；(b)屈服强度；(c)伸长率[25]
Fig.4 Mechanical properties of the 6082aluminium alloys and SiCnp/Al6028 composites obtained by different casting methods under as-cast and T6heat treatment conditions:(a) ultimate tensile strength;(b) yield strength;(c) elongation[25]
与搅拌铸造类似，许多研究者将挤压铸造与超声波空化相结合实现纳米颗粒增强体的均匀分布。Singh等[26]以Al-6061为基体材料，制备纳米Al2O3颗粒增强铝基复合材料，并将超声挤压铸造工艺与超声搅拌铸造工艺制备的复合材料力学性能进行对比，结果表明超声辅助挤压铸造工艺制备的复合材料的抗拉强度、抗压强度和硬度等力学性能均高于超声辅助搅拌铸造工艺制备的复合材料。Gnanavelbabu等[27]研究了超声波辅助挤压铸造参数对AA-2014/Al2O3纳米复合材料制造的影响，结果表明最佳参数组合为超声波功率2.248 9 kW、超声波时间15.91 min、浇注温度700.67 ℃、挤压力41 MPa和增强体质量百分比1.85。
综上所述，挤压铸造制备的纳米颗粒增强铝基复合材料由于在压力下凝固，挤压铸造件通常具有更均匀的密度、精细的结构和较高的力学性能，为制备形状复杂、尺寸精度要求高的零件提供了一个理想选择。
1.3 复合烧结铸造法
烧结工艺广泛应用于固态法制备颗粒增强铝基复合材料，近年来也出现了将其与液态铸造工艺相结合制备纳米颗粒增强铝基复合材料。首先，机械球磨法能将纳米颗粒团簇被提前打散，有利于纳米颗粒在基体中的分散；其次，将Al与纳米颗粒烧结以混合压坯的形式加入到铝熔体中，实现了纳米颗粒在基体中的均匀分散，同时成功避免了纳米颗粒与熔融纯Al的界面反应；最后通过重力或搅拌等铸造成型。这种结合了烧结和铸造的方法可以克服单一铸造方法中颗粒分布不均匀和界面结合不良的问题，同时也能够提高材料的致密度和力学性能[28]。
Su等[29]在高纯度氩气环境下，将商品铝粉和纳米Al2O3粉以不同球磨时间混合，得到的复合粉末在400 ℃下烧结2～5 h，然后加入熔体中，并对液态铝进行机械搅拌后将浆料倒入预热的钢模中铸造。图5展示了不同球磨时间复合粉末表面的代表性SEM像。图5d中的纳米Al2O3颗粒在球磨10h后更均匀地分布在铝粉表面。为便于比较，还在相同条件下制备了Al-2024合金。与传统的搅拌铸造相比，0.6%Al2O3/Al-2024纳米复合材料的拉伸强度、屈服强度和硬度分别提高了59%、58%和16%。
图5 不同球磨时间纳米Al2O3-Al粉末混合物SEM像：(a)2h;(b)5h;(c)8h;(d)10h[29]
Fig.5 SEM images of nano-Al2O3-Al powder mixtures with different ball milling times:(a)2h;(b)5h;(c)8h;(d)10h[29]
Wang等[30]通过半固态搅拌铸造和热挤压烧结联合工艺，将纳米级SiCp/Al烧结块体分散到熔融Al-Cu合金中，成功制备了含有纳米级SiCp的Al-Cu基复合材料。研究发现在铝铜基体中加入纳米级SiCp后，复合材料的拉伸强度显著提高，尤其是在453 K的温度下，但其塑性仍然很高，提高了铝基复合材料作为轻质材料在高温下应用的可能性。Zhang等[31]采用半固态搅拌结合热挤压烧结的方法，成功制备了纳米SiC颗粒增强的Al-2014基复合材料，发现添加体积分数为0.5%的纳米级SiC颗粒可显著提高Al-2014合金的抗拉强度，同时不影响延展性。与Al-2014合金相比，0.5%纳米SiCp/Al-2014复合材料的屈服强度、极限拉伸强度和断裂应变分别从242、460 MPa和17.1%提高到306、532 MPa和17.7%。Li等[32]通过球磨首先将Al粉和纳米SiC粉均匀混合后冷压烧结，并结合超声波搅拌铸造将纳米SiCp(60nm)以不同体积分数(即1%、3%、5%、7%和9%)添加到工业纯Al中，结果表明当体积分数为7%时，纳米SiCp在基体中获得了相当均匀的分散。Zhou等[33]成功利用烧结和重力铸造制备了Ni包覆纳米TiCp增强Al-Cu基复合材料。不同纳米TiC颗粒增强的Al-Cu复合材料的典型工程/真实应力-应变和加工硬化率曲线如图6所示。研究发现，质量分数为0.8%的纳米TiCp/Al-Cu复合材料具有最高的抗拉强度(573 MPa)和良好的伸长率(12.4%)，其抗拉强度和延展性比Al-Cu合金分别提高了18%和88%。Dong等[34]通过真空烧结和重力铸造成功制备了纳米TiB2颗粒增强铝基复合材料，研究了TiB2颗粒尺寸和形态的调整机制，复合材料中的α-Al树枝状原生析出物、共晶硅析出物和θ′析出物分别细化了79.2%、51.9%和37.6%。Tian等[35]通过烧结和重力铸造制备了不同量的纳米TiCp(0.1～0.7%)增强Al-Cu基合金，研究了温度和应变速率对Al-Cu基合金和纳米TiCp/Al-Cu复合材料高温拉伸性能和θ′析出物沉淀尺寸的影响。结果表明，复合材料在453 K时屈服强度的提高主要归因于精制θ′析出物和TiCp的强化作用。而在493K时，由于θ′析出物在此温度下显著粗化，只有TiCp的强化作用占主导地位。
图6 不同纳米TiC颗粒含量的Al-Cu合金和纳米TiCp/Al-Cu复合材料的力学曲线：(a)工程应力-应变曲线；(b)真实应力-应变曲线；(c)加工硬化率-真实应变曲线[33]
Fig.6 The mechanical curves of Al-Cu alloys and nano-TiCp/Al-Cu composites with different nano-TiC particle contents:(a) engineering stress-strain curves;(b) true stress-strain curves;(c) work hardening rate-true strain curves[33]
综上所述，复合烧结铸造法可以通过精确控制烧结和铸造参数，获得具有优良性能的颗粒增强铝基复合材料，但其整个制备过程相对复杂，且成本较高。
1.4 固液复合法
搅拌铸造由于颗粒的分散性和润湿性问题使颗粒难以均匀分布在熔融金属中，而挤压铸造工艺在生产铝基复合材料的过程中也发现了团聚和多孔现象，这两种现象都会对复合材料的特性产生影响。为了进一步使颗粒在基体中分散均匀，促进增强体与基体之间界面的结合，出现了将高能球磨与超声辅助挤压铸造相结合的固液复合新技术。首先将增强体粉末与Al粉球磨获得增强体/Al复合颗粒，再将复合颗粒加入熔体中超声分散进行挤压铸造。
高能球磨在固相法中较为常用，首先将增强材料和其他粉末混合，提供一个新的界面，即Al/Al界面，以取代添加到Al熔体中的陶瓷增强材料和Al熔体之间的界面，然后通过机械搅拌实现增强体与Al熔体之间的预混合[36]。高能球磨可以明显降低反应活化能、细化晶粒、极大提高粉末活性和改善颗粒分布均匀性及增强体与基体之间界面的结合[37]。然而，由于纳米颗粒的高比表面积会导致其在铝熔体中的润湿性较低，因此很难将混合物中的增强体从熔体中释放出来，所以出现了将高能球磨与超声处理相结合的新技术，超声波振动可打破纳米颗粒在熔融铝液中的团聚，改善其润湿性，同时，声流可促进纳米颗粒在熔融金属池中的均匀混合。
Woo等[38]采用高能球磨法合成了纳米金刚石增强铝基复合材料，研究了各种研磨条件对所得MMC粉末结构和性能的影响，发现球粉比为10∶1、研磨时间为10h、纳米金刚石含量为10%(质量分数)最能有效获得小粒径粉末、小尺寸铝晶体，并改善机械性能，使硬度达到3.46GPa，比未经处理的原始铝粉(1.10GPa)提高了210%。Kandemir等[39]采用球磨、超声波辅助挤压铸造制备了A357/0.5%(质量分数)纳米SiC复合材料，对制备的纳米复合材料微观结构和机械性能进行了研究。发现纳米SiC颗粒在熔融合金中实现了相对有效的脱聚和均匀分散。纳米复合材料的硬度和拉伸性能与经超声波处理的未增强的A357合金相比有了明显改善，这表明纳米颗粒具有增强能力，并且在颗粒增强界面处获得了良好的结合。
Arunkumar等[40]利用Al6061合金与纳米级SiC(ALS)、Al2O3(ALSA)和TiO2(ALST)作为增强材料，通过高能球磨、超声辅助挤压铸造制造出混合金属陶瓷，如图7所示。通过拉伸、磨损和热研究，评估了纳米颗粒对物理、热和机械性能的影响，与基础合金Al-6061相比，ALS、ALSA和ALST的极限拉伸强度分别提高了21.36%、35.68%和27.5%。同样，硬度也比基础材料提高了10.29%、14.28%和15.7%；混合金属陶瓷的磨损率和腐蚀率分别降低了71.52%(20N负载)和97%(ALST复合材料)。
图7 制造陶瓷颗粒增强铝基复合材料的工艺流程[40]
Fig.7 Process flow chart for manufacturing ceramic particle-reinforced aluminium matrix composite materials[40]
Li等[41]通过干法高能球磨、超声波振动和挤压铸造联合工艺制备并改善了纳米级SiC颗粒(SiCnp)增强Al-5Cu合金基复合材料的颗粒分布，图8为超声波振动处理系统示意图。复合材料分别用超声处理1、3和5min，颗粒在基体中的分布情况如图9所示。采用超声处理后，纳米级SiCp的分布得到了极大改善。同时，与Al-5Cu基合金相比，经超声处理5min的1%纳米SiCp/Al-5Cu复合材料极限拉伸强度、屈服强度和伸长率分别为270、173 MPa和13.3%，提高了7.6%、6.8%和29%。
图8 超声波振动处理系统简图[41]
Fig.8 Schematic diagram of the ultrasonic vibration treatment system[41]
图9 不同超声处理时间复合材料相中的颗粒分布：(a)0min;(b)1 min;(c)3 min;(d)5min[41]
Fig.9 Particle distribution through the bulk matrix of composites treated with UV light for different durations:(a)0min;(b)1 min;(c)3 min;(d)5min[41]
Yuan等[42]通过高能球磨和超声辅助挤压铸造合成了含有2%纳米SiCp/A356铝基复合材料，纳米碳化硅颗粒在基体中分散良好，没有发现严重的团聚现象。同时研究了超声波振动(ultrasonic vibration,UV)处理和挤压铸造对细化的影响，并重点探讨了纳米SiCp分布对细化的作用，结果表明，超声处理和挤压铸造两种工艺都可以通过调节纳米碳化硅的分布来影响细化效果。纳米SiCp的分散性越好，α-Al和共晶Si相的细化效果就越好。图10显示了在不同压力下通过挤压铸造制备的2% SiCp增强AMCs的扫描电镜图像。从图中可以推断出，共晶区域面积随着施加压力增加而迅速减小，这与铝晶粒数量的增加一致。在传统铸造中，即在0 MPa时，共晶硅相的平均直径和长宽比分别为1.2和2.8 μm(图11)。当施加的压力为100MPa时，复合材料中共晶Si相的平均直径和长宽比分别为0.92和2.33 μm。但随着压力进一步升高，共晶硅相的形态变化很小。
图10 不同压力挤压铸造的2%SiCp/AMCs SEM像：(a)0 MPa;(b)100MPa;(c)200MPa;(d)400MPa[42]
Fig.10 SEM images of 2wt.% SiCp/AMCs squeeze cast at different pressures:(a)0 MPa;(b)100MPa;(c)200MPa;(d)400MPa[42]
图11 以不同挤压压力制备的2%AMNCs平均直径和外形[42]
Fig.11 Mean diameter and aspect of 2wt.%AMNCs prepared with different applied pressures[42]
Pragathi等[43]通过球磨、超声波辅助挤压铸造和传统挤压铸造两种铸造工艺制造了铝基复合材料。铝基复合材料是用两种不同的碳化硅(SiC)(质量分数为1%和2%，平均粒径为288和272nm)和废催化剂(WSC)加固而成。根据微观结构特征，与传统的挤压铸造工艺相比，超声波辅助挤压铸造工艺提高了强化颗粒的均匀分散性，使用超声波辅助挤压铸造法生产的2%SiC铝基复合材料的最大拉伸强度为375 MPa，比传统挤压铸造法高64.47%；硬度比传统挤压铸造法生产的高65.59%。总之，与挤压铸造方法相比，超声波辅助挤压铸造可改善复合材料的微观结构和机械特性。Su等[44]通过球磨结合超声波处理，成功制备了纳米Al2O3/Al-2024复合材料。研究发现，添加经研磨的纳米Al2O3/Al复合粉末有助于缓解熔体中润湿性差和纳米颗粒分布不均的问题。凝固过程中对复合材料浆料进行超声波振动有利于细化晶粒微观结构，改善纳米Al2O3在基体中的分布。同时与合金基体相比，1%纳米Al2O3/2024复合材料的极限拉伸强度和屈服强度分别提高了37%和81%。Murthy等[45]通过球磨、超声波辅助途径成功制备了铝-粉煤灰(物相主要是SiO2、Fe2O3和3Al2O3-2SiO2)纳米复合材料，基体和增强剂之间的润湿性得到了增强，所制造的纳米复合材料不含任何来自大气的额外污染，且随着纳米粉煤灰用量增加，复合材料硬度也随之增加。Chen等[46]通过固液复合法研究了纳米Al2O3在Al-7075中的分布和团聚程度与合金微观结构的关系，讨论了凝固前沿前方存在的纳米颗粒对界面形状的影响。微观结构研究表明，复合材料的微观结构取决于纳米Al2O3团聚的尺寸和程度。局部熔体的成分过冷和颗粒后面溶质的积累导致了胞状界面的形成。
综上所述，固液复合法可以通过球磨超声改善金属间界面结合、均匀分散增强颗粒，从而大大提升铝基复合材料的性能。
2 铝基复合材料在汽车领域的应用
汽车领域对高性能、轻量化的需求奠定了铝基复合材料作为先进材料的地位。利用不同增强体及基体的特性所制备的轻质高强、耐腐蚀及优异导热导电等诸多性能的铝基复合材料，逐渐成为汽车领域应对不同服役条件的关键材料，被广泛应用于汽车重要零部件中。在汽车动力组成中，气缸、缸盖、缸套、离合器和变速器(凸轮轴、差速器和传动轴等)都使用铝基复合材料铸件。在机械组成和内饰中，车轮、刹车片、悬架(控制臂、底座)、导向片(安全气囊支撑、传动轴、万向节)、座椅、轮子和仪表板等也都使用了铝铸件。此外，铝基复合材料还在保暖防护、防碰撞保护、气动框架、油底壳、位置轮廓、副作用板等方面有不同的应用。
2.1 铝基复合材料车身
采用铝基复合材料作为车身材料可以极大地减轻整车质量，从而达到实现轻量化、减少排放的目的。最新研究表明，以铝代钢可以减少整车质量约30%，而每减少10%的整车质量，可以减少约7%的燃料消耗和尾气排放[47]。现在大部分新能源电动汽车也普遍采用全铝车身减轻质量、提升整体动力学性能。此外，铝合金及铝基复合材料是制作前后端结构、汽车保险杠和其他碰撞管理部件的重要材料，在车辆撞击时，可以有效吸收撞击产生的能量，起到缓冲作用。英国Alvant公司以先进液体压力成型(advanced liquid pressure forming,ALPF)的工艺开发了一种适用于车身结构强化部分的高性能铝基复合材料，这材料具有轻质、高强度、高耐磨性等特点。奇瑞新能源汽车选择铝合金挤出型材和纤维增强铝基复合材料分别作为车身骨架和覆盖件材料，利用一体化制造，实现了短流程、低耗材、低排放和智能化生产。宝马新3系保险杠系统中也应用了铝基复合材料，通过精密的设计和材料选择，实现了在碰撞时的有效能量分散和乘员保护。本田NSX的冲压车身结构和外部面板就使用了210kg的铝基复合材料，如图12为奥迪AL2概念车，其采用全铝基复合材料车身，比使用传统材料车身轻了40%。铝基复合材料在车身结构中的应用通过轻量化设计、提高刚性和吸能性等方式，显著提升了汽车的性能和安全性。需要通过选择合适的材料和合理的加工工艺，使铝基复合材料具有优异的性能，以适应汽车车身对轻质高强、安全性、耐久性的要求。
图12 奥迪AL2采用全铝基复合材料车身结构示意图
Fig.12 Audi AL2using all aluminium matrix composite body structure diagram
2.2 铝基复合材料气缸套
缸套是发生点火的高温室，因此必须具有很好的耐磨性和抗蠕变性。传统的气缸套材料主要是灰铸铁，但随着发动机性能要求的提高，传统灰铸铁气缸套的性能已远不能满足要求，现在普遍用铝及其合金制造。根据气缸套的结构特点、安装方式和冷却液循环系统，气缸套可分为整体式、干式和湿式。整体式气缸套与缸体是一体铸造的，可减小气缸孔间距并减少缸体的整体轴向长度，整体缸套与冷却液直接接触，从而确保更好的热传递。由于外表面是与缸体同时浇铸的，不平整且粗糙，因此更容易产生热变形，制造成本低是它的一大优势。湿式气缸套在一些重型大排量发动机中很常见，包括外部冷却剂循环装置，能确保在所有工作条件下都能更好地传热，这使得它们体积更大，成本更高，且单个缸套可以拆卸。干式气缸套是可拆卸式的，主要由铝硅合金制成。这些气缸套设计成简单的桶状，上端带有法兰。由于这些冷却器不与外部循环冷却液直接接触，因此不会出现泄漏、污染或气蚀，缺点是散热能力的降低。图13a和b分别为干式气缸套和湿式气缸套在气缸内的截面图。本田公司开发的增强铝基复合材料发动机缸套成功应用于该公司的S2000直列四缸发动机和Acura汽车V6发动机中。美国福特汽车公司利用热喷涂技术制造出的铝基复合材料缸套，用于福特野马ShelbyGT500发动机上。利用高共晶铝硅复合材料(Al-Si)制成的MMC气缸套不仅具有更好的热传导性，而且还能减轻电机的总体质量。这种复合材料被通用发动机、保时捷、奥迪、梅赛德斯-奔驰、大众汽车和宝马等汽车制造商广泛采用。利用初晶Si、Mg2Si颗粒增强铝基功能梯度复合材料制备的气缸套具有质量轻、高硬度、高耐磨、高耐热性及较低的热膨胀性等特点，其通过离心铸造法制备内层富含高硬度、高耐磨性颗粒的增强层，外层没有或存在少量增强颗粒，具有良好的机械加工性能。Duralean公司制造的气缸套、活塞等零部件均采用了这种铝基复合材料。Mallick等[48]讨论了离心铸造铝硅复合材料的详细制造过程，深入研究了各种参数对机械和摩擦学性能的影响，为开发气缸套的材料选择、参数选择和加工程序设计提供了新思路。
图13 气缸套：(a)干式气缸套；(b)湿式气缸套
Fig.13 Cylinder liners:(a) dry cylinder liner;(b) wet cylinder liner
2.3 铝基复合材料活塞
活塞是汽车发动机的重要零件，其工作环境非常恶劣，承受着循环交变机械载荷和热载荷。所以活塞应具有良好的强度、出色的耐磨性和热膨胀系数。铝基复合材料在耐磨性、高温力学性及尺寸稳定性方面的研究已经取得了显著进展。铝基复合材料的晶粒强化相可以是Al2O3、SiO2、SiC或者TiB2等，通过超声空化等方式将这些颗粒材料添加到铝液中，使得颗粒均匀分散，从而提高整体和局部的耐磨性和高温力学性能。而且AMCs的热膨胀系数较低，可以减少对表面的磨损。Maciej[49]在工业条件下，制备了SiCp10%(体积分数)+AlSi7Mg2复合材料，用于铸造系列半成品活塞，通过添加2%Mg(质量分数)来改变基体合金的化学成分，有利于增强和基体结合，使SiC(10%，体积分数)颗粒在基体中分布均匀。Dolata等[50]研究了碳化硅(SiCp)、玻璃碳(GCp)和混合颗粒(SiCp+GCp)增强铝基复合材料制造的活塞和活塞环之间的摩擦学相互作用，结果表明AlSi12CuNiMg/SiCp和AlSi12CuNiMg/SiCp+GCp复合材料均能有效降低被测摩擦副的摩擦因数及磨损。图14为使用铝基复合材料制备的柴油发动机活塞。
图14 铝基复合材料制备的发动机活塞：(a)截面示意图；(b)实物[50]
Fig.14 Engine pistons made of aluminium matrix composites:(a) cross-sectional diagram;(b) physical diagram[50]
2.4 铝基复合材料制动系统
刹车盘在车辆制动系统中起着关键作用，AM-Cs由于具有高耐磨性和高导热性等特点，被广泛用于汽车刹车盘的制造。采用非连续强化的铝基复合材料(DRA)可将制动盘质量降低约50%，从而增加燃油效率，缩短制动距离。保时捷911、大众Lupo、丰田RAV-4EV等的制动圈就是由非连续强化AM-Cs制成的。Babu等[51]通过离心铸造法制造SiC颗粒增强的铝复合材料制动盘，在制动盘中形成了功能分级结构，离心力将制动盘内部的硬质碳化硅颗粒迁移到制动盘的外部制动区域，从而提高了制动盘的硬度、强度和耐磨性。Kumar等[52]概述了硅作为主要合金元素对改善热特性的重要意义，并结合各种增强材料，以提高AMCs在制动盘中的耐磨性和热稳定性，重点介绍了AMCs制动盘与传统铸铁制动盘相比在热学和摩擦学方面的性能表现，讨论了评估制动盘摩擦学特性所需的不同设备，以满足工业要求。
2.5 其他铝基复合材料零部件
铝基复合材料也广泛用于汽车轮毂、进气阀、排气阀、连杆、传动轴、曲轴和凸轮轴等零件。用SiC和石墨强化的铝基复合材料制成的曲轴正处于改进阶段，碳纤维增强铝基驱动轴和颗粒增强铝基轮胎螺栓已经在车辆上得到了广泛应用，具有轻量化、强度高和动力性强等优势。SiC、Al2O3增强铝基复合材料制造的连杆，与钢制连杆相比，质量减少了约57%[53]。通过使用铝制连接杆，可以降低燃料利用率并提高电机效率。
3 总结与展望
纳米级颗粒增强的AMCs是一种非常重要的材料，在大量工业领域具有很高的应用潜力。目前，无论是基于搅拌铸造法还是挤压铸造法，已有多种液态工艺路线可用于纳米颗粒增强AMCs的制备，每种工艺都有各自的优势和局限性。制造技术的选择受许多因素的影响，如生产成本、加工效率、产品所需的质量及其应用等。
(1)最简单、最经济的工艺是搅拌铸造，但需要解决增强体的孔隙率和润湿性等难题。挤压铸造是一种优异的工艺，同时具有铸造和锻造的优点，并且材料的产率很高。但需要使用专门的模具，压力、温度和模具材料等工艺参数需要根据不同材料在最佳水平上进行探索和使用。
(2)球磨和烧结工艺广泛应用于固态法制备颗粒增强铝基复合材料。机械球磨和烧结能将纳米颗粒与Al基体粉末混合，能提前打散团聚的纳米颗粒团簇，有利于纳米颗粒在基体中的分散，改善界面结合。超声处理可以改善增强体与基体之间的润湿性，促进颗粒分散，降低孔隙率。因此出现了固液复合法、复合烧结铸造等新工艺用于制备高性能的纳米颗粒增强铝基复合材料。但与此同时也造成了工序复杂化和生产成本的提高。增强材料的类型、尺寸、体积分数、混合增强材料和基体材料的类型都对复合材料的发展起着重要作用。合理选择铝基体、制造工艺和增强体，能使AMCs具有优异的机械性能和摩擦性能。
(3)铝基复合材料质重比高、延展性好、热膨胀系数低，具有良好的耐磨性和阻燃性，被大量应用于汽车领域，随着全球新能源汽车产量的增长，平均铝消耗量也持续上升，因此，对铝合金及其复合材料在汽车制造领域的研究也将越来越多。
(4)未来研究人员应集中精力研究制造高性能铝基复合材料及表面改性的方法，以促进铝基复合材料在汽车工程领域的推广应用。
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