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引言

铝是一种地壳中含量丰富的金属元素，纯铝质地较软，通常不直接作为工程结构材料使用。而铝合金通过添加其他合金元素，显著提升了其力学性能和功能性。钨及其合金因其高化学稳定性、高强度和优异的辐射屏蔽性能，在工业领域占有重要地位。铝钨复合材料结合了铝和钨的优点，展现出超高硬度、抗氧化性和高延展性等特性，成为高性能轻质结构材料的研究热点。文章基于中国工程物理研究院材料研究所庞晓轩团队研究成果及国家自然科学基金项目、四川省重大科技专项项目资助。

01、研究背景

铝与钨的物理化学性质：铝具有低密度、高比刚度、优异的导电导热性能和良好的耐蚀性；钨则以其高强度、高刚性、低热膨胀系数和优异的辐射屏蔽效果著称。然而，铝和钨在固态下互不相溶，传统冶炼方法难以制备Al-W合金。近年来，非平衡态加工技术为制备铝钨复合材料提供了新途径。

铝钨复合材料的应用需求：随着航空航天、电子通讯、核工业等领域的快速发展，对材料性能的要求日益严苛。铝钨复合材料因其独特的性能组合，在这些领域展现出广阔的应用前景。例如，在航空航天领域，轻质高强度的材料对于提高飞行器的载荷能力和燃油经济性至关重要；在核工业领域，高效的辐射屏蔽材料是保障工作人员安全的关键。

（1）制备工艺创新

机械合金化法：通过高能球磨使铝和钨粉末实现合金化，显著提高Al在W中的固溶度，制备出过饱和固溶体粉末。

强流脉冲电子束法：利用高能电子束辐照材料表面，形成纳米晶、非晶态等亚稳结构，提升材料表面硬度和耐磨性。

放电等离子烧结法：结合压力与脉冲电流，实现快速升温与均匀加热，制备出高性能复合材料，显著提升材料致密性与强度。

（2）性能优化创新

抑制金属间化合物生成：通过添加第三组元（如氧化铝、碳化硅）或调整工艺参数，有效抑制Al-W金属间化合物的形成，减少脆性相，提升材料韧性。

细化晶粒与增强界面结合：采用热挤压、热处理等工艺细化晶粒，改善增强体分布，增强基体与增强体之间的界面结合力，提高复合材料强度。

图4 放电等离子烧结设备结构示意图

Fig.4 Schematic structure of discharge plasma sintering equipment

图5 Al-W金属化合物吉布斯自由能与成分之间关系图

Fig.5 Plot of Gibbs free energy versus composition for Al-W metal compounds

图6 Al-15%W₁₄Al₈₆的放大扫描电镜显微图

Fig.6 Enlarged SEM micrograph of Al-15 wt%W₁₄Al₈₆

图7 Al-W样品不同放大倍数下的扫描图：(a)、(b)高倍扫描图；(c)低倍扫描图

Fig.7 Scan of Al-W samples at different magnifications: (a)、(b)high magnification scans; 

(c)low magnification scans

图8 Al-W样品在不同温度和保温时间下的高低倍扫描图：(a)、(b)升温至600 ℃；(c)、(d)升温至600 ℃保温1 h；(e)、(f)升温至650 ℃下保温1 h

Fig.8 High and low magnification scans of Al-W samples at different temperatures and holding times: (a)、(b) temperature increase to 600 °C; (c)、(d) increase the temperature to 600 °C and hold for one hour; (e)、(f) increase the temperature to 650 °C and hold for one hour

图12 复合材料的析出相形貌：(a)未热处理；(b)T4热处理，520 ℃固溶；(c)T6热处理，520 ℃固溶

Fig.12 Precipitation phase morphology (TEM) of the composites:

(a) no heat treatment; (b) T4 heat treatment, 520 ℃ solid solution; (c) T6 heat treatment, 520 ℃ solid solution

图14 γ射线与复合材料中W颗粒之间的相互作用图示：(a)粉末烧结Al-20W样品；(b)多层Al-20W样品

Fig.14 Illustration of interactions between γ-rays and the W fillers in the composites :(a) powder-sintered Al-20W sample; (b) multilayered Al-20W sample

铝钨复合材料在核工业、航空航天、电子通讯等领域展现出重要应用价值。通过非平衡态加工技术，成功制备出具有优异综合力学性能和辐射屏蔽性能的铝钨复合材料。未来研究应进一步探索制备工艺-微观结构-力学性能的关联，优化屏蔽性能与热力性能，推动铝钨复合材料在更多高端制造领域的应用。同时，加强第三组元添加对材料性能影响的研究，为开发更高性能的铝钨复合材料提供理论支持和技术指导。

文章发表于《功能材料》2025年第56卷第6期，欢迎引用本文：    

蒋存慧,庞晓轩,程亮.高性能铝钨复合材料制备及性能研究进展[J].功能材料,2025,56(6): 06039-06049.

Jiang C H,Pang X X,Cheng L.Research status of preparation and properties of high strength aluminum tungsten composite materials[J].Journal of Functional Materials,2025,56(6): 06039-06049.