馬宗義,, 肖伯律, 張峻凡, 朱士澤, 王東

非連續增強鋁基復合材料(以下簡稱鋁基復合材料)是金屬基復合材料家族中研究和應用最廣泛的一類復合材料，它是在鋁合金中添加陶瓷顆粒等非連續形態增強相復合而成。鋁基復合材料遺傳了鋁合金與增強材料的力學與物理特性，顯示出高比強度、高比模量、耐磨損、低膨脹、高熱導以及特殊功能特性(如中子吸收)，并在復合效應下產生良好的抗疲勞、抗蠕變、耐熱、減振等優點。鋁基復合材料的制備加工工藝與金屬兼容，可使用金屬材料的設計準則進行零件結構設計。同時，其自身性能具有很強可設計性，通過選取不同基體鋁合金種類和增強相類別、含量與尺度，獲得結構或功能特性，用于承力結構、傳動機構、熱沉結構以及輻照等極端環境。

20世紀80年代末，鋁基復合材料在首批“國家高技術研究發展計劃”支持下出現了研究熱潮，但隨后長期處于需求牽引有限與關鍵技術瓶頸突破困難的低潮時期。由于性能數據積累有限、有效預測手段缺乏、原材料與制備工藝優化原理不清、構件制造經驗不足等原因，鋁基復合材料塑韌性瓶頸難以突破，性能不穩定、構件意外變形開裂等問題屢屢出現，使鋁基復合材料一度成為高技術裝備設計選材時的“慎用材料”，長期處于“坐冷板凳”狀態。

令人欣慰的是，在我國深空探測、載人航天、高分辨對地觀測以及大型核電站等重大工程任務的強勁牽引下，科研人員通過長期不懈努力與自主創新，以SiC顆粒增強Al (SiC/Al)為代表的鋁基復合材料厚積薄發，快速發展并形成產業，成為我國戰略性新興產業新材料目錄中的關鍵一員，助力多個國家重大工程任務成功實施。其中，鋁基復合材料優異的力學、物理特性在“祝融號”火星車上得到集中展現。

“祝融號”火星車是我國第一個行星探測器“天問一號”的重要組成部分，承擔著星面巡視和探測重任。火星表面沙丘、礫石遍布，溫度可達-133~30℃，晝夜溫差可達100℃。在嚴苛與復雜的熱、力服役環境下，不同鋁基復合材料分別應用于火星車結構、機構與儀器，為火星車順利完成90個火星日的探測任務提供了有力支撐。

本文回顧了為“祝融號”火星車研制不同特性鋁基復合材料所開展的有限元模擬計算、基體合金優化設計以及殘余應力表征等關鍵問題研究，并對未來先進裝備發展所需的鋁基復合材料快速響應研發模式進行了概述與預測展望。

1 鋁基復合材料力學性能仿真優化

以火星車承載結構部件為例，鋁基復合材料不僅要有比鋁合金高50%以上的彈性模量，而且強度至少比常用的高強鋁合金提升30%，而且延伸率不低于5%，才能滿足結構減重、服役受載時不變形開裂的要求。由于彈性模量與所添加增強相的種類和數量相關，因此材料設計主要考慮既定增強相種類和數量下，影響鋁基復合材料強度和延伸率的關鍵因素。然而，鋁基復合材料的強度受基體合金種類、增強相自身及其添加對基體合金組織造成的復雜變化(如晶粒、位錯、殘余應力等)的控制，用傳統試錯法難以逐一解析，要理性設計組織十分困難，而且研發成本高、周期長。有限元模擬輔助設計方法可以開發虛擬組織的鋁基復合材料，設定不同的增強體形貌、尺寸和分布，并根據Al基體種類、增強體類型以及不同界面結合強度設定各自力學屬性，能夠在材料制備之前對特定性能指標的鋁基復合材料開展組元和組織評估，從而提高材料設計的效率。

為使有限元構筑的虛擬組織所計算的性能盡可能接近實驗結果，人們對增強體形貌和分布建模、更合理的增強機制模型、更準確的界面描述方式等開展了研究。如圖1所示，開發了凸多面體隨機切割結合隨機插入算法[1]，獲得增強體和基體具有清晰邊界的代表性體積單元(RVE)模型；開發了三維成像輔助建模方法[2]，獲得了具有真實增強體結構的RVE模型；開發了堆垛模擬輔助建模方法，獲得了高體積分數的顆粒增強鋁基復合材料的RVE模型[3,4]。

圖1

圖1   典型鋁基復合材料代表性體積單元(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

在構建起RVE模型基礎上，第二個難題是如何準確模擬界面特性對復合材料整體力學性能的影響規律。常用的Cohesive element模型可預測界面開裂[5~7]，但該模型將界面抽象為一個面，由3個應力分量描述界面受力，與常規材料力學模型使用6個應力分量的狀態不一致，也與復合材料中界面具有一定厚度的實際情況不符。為了讓界面屬性能夠代表近界面區域對整體力學性能的影響，開發出“鋁合金基體+界面+增強體”三相RVE結構模型[8]，可使用常規材料力學模型描述界面屬性，有利于簡化計算模型，并有效模擬界面開裂行為對鋁基復合材料力學性能的影響規律。

鋁基復合材料的力學性能受到載荷傳遞強化、應變梯度強化、熱殘余應力強化、細晶強化和基體損傷等多種機制的聯合影響，為了保障模擬獲得精確的力學性能，需要建立力學模型準確描述材料的變形力學行為。為了綜合描述多種機制的協同作用，在接近真實結構的RVE模型基礎上開發了適用于典型SiC/Al復合材料的增強型有限元模型[9]，可以準確模擬顆粒尺寸與取向等效應，定量分析各種強化/損傷機制以及殘余應力對力學性能的作用。根據該模型的計算，載荷傳遞貢獻最大；顆粒尺寸效應體現為細晶強化，能提高小顆粒復合材料的屈服強度；應變梯度強化僅對加工硬化率提升作用明顯；殘余應力的強化效果較弱，并且幾乎不提高復合材料的加工硬化率；殘余應力和應變梯度協同作用時，能進一步提高復合材料的屈服強度。

基于RVE的有限元模擬結果，可以根據熱、力作用以及組織均勻性對大尺寸構件性能波動進行客觀解釋與定量評價，為反向指導原材料設計與制備工藝提供了依據，這也改變了長期以來對鋁基復合材料性能控制因素認知不清的局面。由此，能更理性地設計原材料特征參數、篩查制備過程中影響顆粒取向、分布等組織特性的因素以及優化熱處理工藝調控殘余應力等[10]，避免因機理不清開展反復試錯而產生的巨大消耗使研發受阻，對鋁基復合材料的性能預測與強韌性提升提供了高效可靠的新方法。

2 火星車承載結構用高強韌鋁基復合材料開發

高強韌鋁基復合材料增強相含量一般低于25% (體積分數，下同)，依然保留著鋁合金可加工、塑韌性好的優點。其增強相的添加主要用于提升鋁合金的模量、強度和耐疲勞等性能，因而該類復合材料適用于承載結構件。盡管納米尺度的增強相(如碳納米管(CNT)、石墨烯(GNP)等)能顯著提升材料強度，但由于分散困難，增強相含量難以提升，材料的彈性模量增加有限，如圖2[11~25]所示。相比于納米級增強相，微米級增強相分散容易，添加量設計自由，能兼顧強度和模量，相比鋁合金能顯著降低結構質量和尺寸占用比，成為目前應用最典型的一類鋁基復合材料。

圖2

圖2   微米顆粒(M-AMC)及納米顆粒鋁基復合材料(N-AMC)的比強度和比模量[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系高強韌鋁基復合材料

長期以來對鋁基復合材料的強韌性調控主要關注顆粒尺寸、分布、界面結合以及相應的制備工藝調控原理等，對鋁合金基體關注較少，幾乎都是直接采用商用牌號鋁合金。通常制備高強度鋁基復合材料選用高強度Al-Cu-Mg合金，如2014Al、2024Al合金；如果需要設計導熱好、低膨脹的鋁基復合材料，則通常選取強度低、塑性較好的Al-Mg-Si合金，以補償較高含量陶瓷顆粒添加所產生的脆性。隨著對鋁基復合材料組織性能認識深入，人們發現由于陶瓷顆粒添加會改變基體合金成分和組織，進而影響力學性能，因此在商用牌號鋁合金基礎上進行成分調整，成為挖掘鋁基復合材料強韌性的重要手段。

以Al-Cu-Mg系合金為例，目前應用最典型的2009Al合金是1990年由美國注冊，幾乎專門用于制備鋁基復合材料，其合金成分(質量分數，%)為：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等微合金元素極少，有利于改善復合材料的塑性。張琪等[27]利用粉末冶金技術，使用Al、Cu、Mg粉為原料，通過真空燒結完成固態合金化，高效地優化了2009Al合金成分，進而實現了SiC/2009Al復合材料的快速研發。其中，17%SiC/2009Al復合材料自然時效態下屈服強度約為380 MPa，抗拉強度可達550 MPa，彈性模量可達98 GPa，而延伸率仍能保持在6%~8%。這些性能顯著優于傳統2024Al合金制備的相同種類復合材料，對于提高火星車服役可靠性與減重效益意義重大。目前，SiC/2009Al復合材料棒、環、管、鍛件和異型材還廣泛用于嫦娥5號、空間站等多個航天與國防關鍵工程型號，這表明SiC/2009Al復合材料已發展成熟。

2.2 Al-Mg-Si-Cu系可冷加工高強復合材料

為最大程度實現輕量化，承載結構零件要進行拓撲優化，這要求鋁基復合材料不僅要有高強度，還應具有較好的成形性和加工性。常用的SiC/2009Al復合材料雖在淬火后短時間內具有強度與硬度低、塑性好的特點，但其自然時效硬化迅速，淬火后室溫放置(自然時效)僅數小時強度和硬度便可接近峰值態，導致冷變形加工與切削加工性能惡化，即使矯正淬火畸變也很困難。因此，SiC/2009Al復合材料的冷變形加工無法進行，且切削加工難度大。基于上述問題，在火星車車輪選材之初，選用了自然時效硬化傾向較弱的Al-Mg-Si系合金為復合材料基體。以17%SiC/Al-1.2Mg-0.6Si復合材料為例，其固溶淬火后進行自然時效1周，屈服強度不足17%SiC/2009Al復合材料的60%，而延伸率約為后者的1.6倍。低屈服強度可以降低變形抗力和切削應力、減輕彈性回彈，并減弱SiC顆粒斷裂傾向。而較高的延伸率可以為冷變形加工提供更多塑性余量，且可顯著提升沖擊性能。

然而，SiC/Al-Mg-Si復合材料經過自然時效后再進行人工時效時，硬化能力相比淬火后直接人工時效減弱，即產生自然時效負效應，導致強度下降[28~30]。研究[24]表明，17%SiC/Al-1.2Mg-0.6Si復合材料和Al-1.2Mg-0.6Si合金在自然時效期間形成的原子團簇，均會在人工時效時強烈抑制β''相(Mg4 + x Al3 - x Si4，x為0~1[31])形成，且部分團簇會轉變成易粗化的β'相(Mg9Si5[32])，使析出相總含量降低且平均尺寸增大(圖3a和c[24])，進而引發自然時效負效應。而復合材料中的淬火位錯可促進析出相沿位錯形成(圖3b和d[24])，能夠減輕自然時效對析出相總含量的降低作用，因此復合材料的自然時效負效應弱于相同成分的鋁合金。

圖3

圖3   17%SiC/Al-1.2Mg-0.6Si復合材料在淬火后直接人工時效態和先自然時效1周后人工時效態的析出相形貌[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]

通過向Al-Mg-Si合金中添加Cu，可形成具有良好強化作用的L相(一種成分尚不確定的無序結構含Cu相[33])，并抑制β'相形成，進而使復合材料人工時效態的強度和硬度提高[22,34]。此外，Cu可以促進自然時效團簇向β''相和L相轉變。與β'相不同，β''相和L相不易粗化，故自然時效團簇向它們轉變可以減輕自然時效負效應。由此研制的17%SiC/6092Al (Al-1.2Mg-0.6Si-1.0Cu)復合材料，其自然時效態下延伸率高，因負效應導致的強度降低不足5%，而人工時效后的屈服強度高于常用的17%SiC/2009Al復合材料(如表1所示)。但添加過多的Cu元素并不能徹底消除自然時效負效應，而且會增加自然時效硬化，降低冷加工性能。

表1   不同成分及時效工藝復合材料的性能對比

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

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借鑒Al-Mg-Si-(Cu)系合金預時效工藝，對17%SiC/6092Al復合材料淬火后立刻施加預時效處理，可形成硬化能力弱且容易向β''相和L相轉變的原子團簇[35]，在減弱自然時效硬化的同時，進一步抑制自然時效負效應。最優預時效工藝下，自然時效負效應可完全消除。經預時效處理的17%SiC/6092Al復合材料，其自然時效態屈服強度僅250 MPa，約為17%SiC/2009Al復合材料的65%，延伸率約為它的1.6倍；人工時效后，17%SiC/6092Al復合材料的屈服強度較17%SiC/2009Al提高55 MPa，延伸率僅略有降低(表1)。因此，將17%SiC/6092Al復合材料用于火星車車輪，在減重的同時可顯著提高其在著陸與巡視探測時承受復雜力學載荷的可靠性。

3 火星車傳動機構與儀器用中高陶瓷含量鋁基復合材料開發

3.1 中高陶瓷含量鋁基復合材料的制備與性能特性

中等陶瓷含量(體積分數為25%~45%)鋁基復合材料的模量、硬度、線膨脹特性明顯優于高強韌性鋁基復合材料，而且強度也保持在較高水平，因此可作為結構與功能一體化材料使用。由于中等陶瓷含量的鋁基復合材料仍保持金屬特性，因此能進行擠壓、鍛造等塑性變形加工，不僅可以通過模鍛等方法提高材料利用率，而且力學性能經變形加工可顯著改善。例如SiC顆粒含量為40%的鋁基復合材料，其熱膨脹系數可與鋼媲美，彈性模量可達145 GPa，這些特性能滿足傳動機構對剛度、耐磨性與抵御冷熱交變尺寸穩定性的需求，而經過鍛造、熱處理后，屈服強度可超過450 MPa，能滿足發射過載、著陸沖擊、傳動受力與耐磨等工況。

高陶瓷含量(體積分數一般為50%~70%)鋁基復合材料具有更高的彈性模量與更低的線膨脹系數，特別是其熱導率比鋁合金更高，通常用作熱環境下的功能材料。典型的高體積分數SiC/Al彈性模量與鋼鐵材料接近，線膨脹系數與鈦合金相同，熱導率優于鋁合金，如SiC含量為60%的鋁基復合材料的彎曲強度為450 MPa、彈性模量為200 GPa、熱導率為210 W/(m·K)、線膨脹系數為8.5 × 10-6℃-1，這些優異的綜合性能使其能應用于大功率半導體熱管理部件、高尺寸穩定性光學儀器結構部件。該類復合材料中Al基體主要充當增強顆粒間的連接與傳導介質，顆粒間距小于顆粒尺寸，顆粒之間的鋁合金受靜水壓力與應變硬化作用明顯，無法滿足變形加工的流動性，通常制備成坯錠后就直接進行零件切削加工。

由于陶瓷顆粒在自然堆垛時就能達到40%以上的松裝密度，向陶瓷預制體中的空隙滲入熔化的Al液，凝固后就能獲得形狀各異的坯料，因而浸滲法成為中高陶瓷含量鋁基復合材料的常見制備技術。依據Al熔體浸滲的動力來源，浸滲法通常可分為無壓浸滲和壓力浸滲。除了浸滲法，粉末冶金法也逐漸發展成為制備中高陶瓷含量鋁基復合材料的關鍵技術。粉末冶金法以其制備的鋁基復合材料均勻性高、致密度好等特性，以往主要用于制備中低陶瓷含量復合材料。由于粉末冶金技術容易實現坯錠尺寸放大與規模化制備，而且Al粉和陶瓷顆粒在壓力下實現結合，不需要熔化，因而能有效減輕陶瓷顆粒與鋁合金之間的界面反應；在較低溫度下熱壓燒結，還能避免液相沖刷造成的顆粒偏析等問題。中國科學院金屬研究所2017年實現了直徑1500 mm的SiC/Al坯錠制備，被鋁業專家王祝堂先生喻為“天下第一大錠”。目前使用粉末冶金法，已制備出直徑2200 mm、重量達6 t的特大型高體積分數SiC/Al坯錠(圖4)。

圖4

圖4   粉末冶金法制備的高陶瓷含量鋁基復合材料大尺寸坯錠

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

3.2 鋁基復合材料殘余應力調控方法

殘余應力調控對儀器等結構用中高陶瓷含量鋁基復合材料的意義，不亞于承載結構用鋁基復合材料強韌性的調控。在鋁基復合材料中常用的陶瓷顆粒與Al基體的熱膨脹系數相差很大，以SiC/2124Al為例，2124Al的室溫線膨脹系數為21.6 × 10-6℃-1，而SiC僅為4.3 × 10-6℃-1。熱膨脹系數的顯著差別使鋁基復合材料在熱處理或熱加工后的冷卻過程中產生高而復雜的殘余應力，嚴重影響材料的性能與工件的尺寸穩定。陶瓷顆粒含量越高、坯錠尺寸越大，殘余應力對性能的影響越顯著。此外，殘余應力還會在鋁基復合材料的切削加工以及零件放置與服役過程中釋放，導致光學儀器等精密結構件因殘余應力而變形失效。

為了調控殘余應力，首先要精準分析表征殘余應力的大小和分布。常規的破壞性實驗方法，如鉆孔法、應變片法等，只能獲得構件尺度的第一類殘余應力(宏觀殘余應力)，難以獲得鋁基復合材料中最關鍵的相間殘余應力(微觀殘余應力)。同步輻射X射線及中子衍射技術，是獲得鋁基復合材料殘余應力的關鍵實驗手段，已有研究利用這些方法研究了鋁基復合材料殘余應力與制備加工工藝參數的關系[36,37]、變形過程中的增強相與基體合金殘余應力演變[38]等，為鋁基復合材料中的殘余應力定量分析提供了可靠方法，為殘余應力的控制提供了定量指導依據。

由于精確測量鋁基復合材料殘余應力所需中子衍射或同步X射線設備機時稀缺、實驗耗時耗力，數值模擬預測成為重要的技術手段。單一尺度的傳統有限元方法不能同時考慮鋁基復合材料中宏觀和微觀殘余應力，目前在金屬基復合材料的殘余應力數值模擬中，最常使用的方法是通過構建增強體尺度的RVE模型，通過變溫或者傳熱過程的模擬，獲得相間的殘余應力[10,39,40]。利用該方法獲得的計算結果與實驗值十分接近，并清晰地表現出基體、增強相中淬火總殘余應力的微觀分布形態均由熱錯配殘余應力決定。該方法為了解鋁基復合材料中宏觀和微觀殘余應力的形成、分布特點以及數值大小提供了有效手段，為控制復合材料宏觀和微觀殘余應力提供了理論依據。然而，這種方法在表征構件尺度宏觀殘余應力對不同相之間的微觀殘余應力影響方面仍有難度。為此，中國科學院金屬研究所開發了構件和增強體2個尺度的多尺度耦合模擬方法，將構件尺度的殘余應力施加到RVE模型中，從而獲得了更為準確的鋁基復合材料相間殘余應力[41]，為鋁基復合材料的精準殘余應力模擬提供了研究方法。

對粉末冶金法制備的中高陶瓷含量鋁基復合材料，通過少量中子衍射對標準試樣的測試，輔以數值模擬方法的系統定量分析，實現了以殘余應力調控為導向的熱處理工藝優化。利用該類材料低熱膨脹、高熱導、高模量等特性，成功應用于火星車傳動機構驅動部件與探測儀器。此外，粉末冶金制備的大尺寸坯錠經去應力熱處理，整體加工成高精度大尺寸構件，長時間放置不變形，比以往小塊拼接的鋁基復合材料構件穩定性更優，因而廣泛應用于激光通信器、星敏支架等光學儀器，為風云、高分、北斗等多個型號系列衛星光學遙感系統的設計與制造提供了重要支撐。

4 未來鋁基復合材料發展機遇與研發新模式

隨著航天、航海、交通、制造等強國戰略目標的提出，未來高技術裝備的跨代發展將為鋁基復合材料帶來前所未有的機遇。除了在飛行器結構應用，鋁基復合材料還可用于移動電子設備、通訊基站、車輛、機械等民用基礎設施和產品，需求可望呈現井噴式增長。同時，多樣化、規模化、復雜化的應用需求也給鋁基復合材料性能升級、規模化制備技術、研發響應速度提出更高的要求。由于鋁基復合材料特有的復雜多組元、多尺度特性(基體合金元素、晶粒、析出相、界面；增強體尺寸、形態、空間分布等)，使材料設計、表征與組織性能控制比合金更復雜。在這些復雜因素交互作用下，傳統的材料研發模式和表征手段很難使復合材料制備與性能水平得以快速突破，無法適應裝備快速發展的形勢。因此，鋁基復合材料的研發也急需從傳統試錯法與單純有限元模擬向更高效、可靠的模式轉變。

4.1 材料基因工程

材料基因工程研究特點是以數據驅動實現材料的高通量集成計算設計，以高通量制備、快速表征和多尺度模擬技術支撐迭代優化，從而實現研發成本與周期“雙減半”。目前，材料基因工程研究在低維材料、金屬有機框架材料和多元合金等材料中獲得顯著進展，包括高通量表征測試方法、材料數據庫、材料信息學和計算驗證技術等。在此基礎上發展出智能優化算法和數據驅動的材料設計方法，配合材料高通量制備和多維跨尺度原位快速高通量表征技術，形成從設計到應用的全鏈條集成優化系統的研究新范式。但對具有復雜組元和跨尺度組織特性、制備更難的金屬基復合材料，材料基因工程關鍵技術的建立極具挑戰性。相關研究尚處于起步階段，主要包括多尺度模擬、少量高通量實驗和大數據處理等。

在金屬基復合材料的多尺度模擬方面，現有研究主要集中在利用第一性原理[42,43]、分子動力學[44,45]、有限元[2,5,8,46]等多種模擬方法，實現了金屬基復合材料從原子尺度到構件尺度的模擬分析。第一性原理能從原子尺度計算，例如表征單原子空位石墨烯與Al的界面結合能[42]，以加深對材料性能控制機理的理解。分子動力學模擬可以計算模擬從微觀到介觀的材料行為，例如界面開裂的力學行為[44]，并延伸到整體拉伸力學性能模擬[45]，能更清晰地揭示受載響應行為與性能關系。有限元模擬可以在構件和增強體2個尺度對金屬基復合材料的強韌化和變形行為進行數值分析。近年來快速發展的RVE模型在金屬基復合材料的性能預測和微觀機理的分析上也發揮了越來越多的作用，可利用RVE預測鋁基復合材料的開裂行為[8]，分析熱殘余應力和變形對SiC/Al復合材料中的應變梯度的影響等[9]。在構件尺度的變形加工模擬上，有限元模擬能對鋁基復合材料塑性變形加工提供高效可靠的輔助手段，進而有效提高工藝優化效率。

“十三五”以來，在國家重點研發計劃項目的支持下，國內多家單位組建團隊利用材料基因工程思想開展金屬基復合材料研發，初步建立了鋁基、鈦基復合材料界面化學、熱/動力學數據庫；開發了以浸滲法、粉末冶金法為基礎的均勻組織復合材料的高通量制備技術[47]；搭建了高通量表征裝置與平臺；開辟了復合材料組織性能調控多尺度模擬技術。這些工作為快速研發高性能金屬基復合材料奠定了基礎。

4.2 大科學裝置在金屬基復合材料中的應用

繼傳統金相學、電子顯微學之后，基于中子源與同步輻射光源的原位探測技術正在成為金屬材料表征新技術。目前在中子源和同步輻射光源原位實驗研究方面，典型成果包括鑄造鋁合金高溫疲勞損傷過程的三維形貌同步輻射原位成像[48]，以及對粉末層壓過程中的晶粒及滲濾路徑演化[49]，利用中子成像原位觀測Cu-Co合金在凝固過程中的相分離行為[50]等。此外，基于同步輻射光源正在致力于發展納米成像和納米電子計算機斷層掃描(CT)、運動襯度成像等，以實現材料內的不同層級結構的跨尺度分析及弱信號的原位無損表征；中子源也正在積極開發更加符合材料真實制備加工和服役環境的原位實驗和多維度探測系統。

憑借中子源的高穿透性和大面積探測能力，以及同步輻射光源的高時空分辨優勢，可在逼近真實制備與服役的環境中，對鋁基復合材料中跨尺度、復雜的組織參量開展高精度原位表征和信息統計，可望實現多參量原位探測與集成調控。目前中子和同步輻射實驗表征已用于鋁基復合材料研究，如利用中子衍射原位拉伸實驗(圖5[51])和應力平衡條件計算分離出增強體中的平均應力，解決了CNT/Al復合材料的載荷傳遞強化機制定量測量難題，定量分析了CNT/Al中的載荷傳遞[51]，為CNT/Al復合材料的成分和結構設計提供了可靠的數據支撐。利用同步輻射原位拉伸分析，研究了Ti/Al層狀復合材料的應力應變演化行為和裂紋演化行為，揭示了復合材料的強韌化機理，指導高強韌層狀復合材料的開發[52]；利用同步輻射三維成像技術構建了真實增強體結構的B4C/Al復合材料RVE，通過有限元變形應力應變分析，獲得了高精度的載荷傳遞和應力應變演化行為，為復合材料的力學性能優化提供了可靠的數據參考[2]。

圖5

圖5   原位中子衍射實驗實驗裝置和衍射圖樣[51]

Fig.5   In situ neutron diffraction experiment[51]

(a) experiment apparatus (b) diffraction pattern

國內外快速發展的同步輻射X射線和中子原位多尺度表征技術，為復雜多組元多尺度結構的鋁基復合材料提供了新的表征手段。而材料基因工程技術則加快了新型鋁基復合材料的研發進程，2者結合有望突破高性能鋁基復合材料性能水平、構建新型制備加工方法以及實現服役可靠性的高效精準預測等，成為未來快速研發鋁基復合材料的關鍵手段。

5 總結與展望

我國鋁基復合材料自20世紀80年代開始研發，經歷了長時間的自主創新與技術積累。在國家重大工程任務牽引下，突破了復合材料設計與規模化制備加工等關鍵技術瓶頸，發展起有限元預測計算技術、殘余應力模擬方法，由此指導復合材料的組織性能優化調控。所制備的高強韌鋁基復合材料、中高陶瓷含量鋁基復合材料的性能達到國際同行水平，在以“祝融號”火星車為代表的重大裝備中獲得成功應用，有力支撐了多個重大專項任務的成功實施。

未來隨著鋁基復合材料高效計算方法、數據庫建設、高通量制備與表征技術的進一步發展，材料基因工程研究方法必然會成為鋁基復合材料研究的重要手段，助力復合材料快速研發與應用。中子/同步輻射等大科學裝置的表征方法、實驗裝置、數據分析技術等進一步完善，必然能夠助力鋁基復合材料突破現有性能瓶頸。憑借材料基因工程研發新范式和大科學裝置表征新手段，鋁基復合材料必然能夠迎來更快速的研發和更高的性能，為國家航空、航天、海洋領域重大工程建設提供支撐。