在航空航天、精密仪器等领域中,常常存在因环境温度的突变导致器件尺寸不匹配的问题,对器件的使用寿命造成极大影响,而造成这一问题的关键原因在于热膨胀系数的不匹配。目前常用的Si C/Al或B4C/Al复合材料虽然可以满足热膨胀系数要求,但引入高体积分数的增强体必然会导致材料塑性下降。因此,本文以热膨胀系数更低的Si₃N₄作为陶瓷相增强体,并采用可焊性好、耐腐蚀的5083Al作为基体,利用SPS技术制备Si₃N₄/5083Al复合材料,在不影响复合材料热膨胀性能的同时,通过降低增强体含量的方式,提高材料塑性。本文首先对复合材料的制备工艺进行研究。对球磨工艺的研究结果表明:与高能行星式球磨相比,采用低速卧式球磨可以使Si₃N₄与5083Al均匀混合,同时不会对原始材料的特征形貌产生较大影响,最终确定了最优的球磨工艺参数为:球磨时间为48h,球磨转速为80rpm。对SPS工艺的研究结果表明:在烧结温度为575℃、脉冲条件为ton:toff=2:1、烧结压力为40MPa的工艺参数下,复合材料组织致密,无明显缺陷,致密度高达98.3%,其综合力学性能优异,抗拉强度达到482MPa,弯曲强度达到825MPa。随后,利用最优的工艺参数制备了15%、25%及35%vol.Si₃N₄/5083Al复合材料,并对其显微组织进行了系统性研究。实验表明:随着Si₃N₄含量的增加,复合材料中出现明显Si₃N₄增强体的聚集现象,致密度略有下降。复合材料中存在界面反应,两层界面反应层厚度约为10nm,界面反应产物分别为Al N和Mg3Al2N4。结合对复合材料显微组织的表征,对复合材料的SPS烧结机制进行简要分析:随着烧结压力和烧结温度的增加,与Si₃N₄颗粒紧密接触的Al基体发生熔化,形成包含Si₃N₄颗粒-界面反应层-液相Al层的壳体结构,并在液相Al的带动下发生颗粒重排形成Si₃N₄团簇,冷却后实现复合材料的烧结。最后,对不同体积分数复合材料的力学性能以及热物理性能进行了研究。对力学性能的研究表明:随着Si₃N₄含量的增加,复合材料的硬度逐渐提高,当Si₃N₄含量为35%时,硬度达到172.3N/mm2;而拉伸强度和弯曲强度则呈现出先升高后下降的变化趋势,当Si₃N₄体积分数为25%时达到最大值。对热物理性能的研究表明:随着Si₃N₄含量的增加,复合材料的热膨胀系数和热导率均逐渐降低,其中,35%vol.Si₃N₄/5083Al复合材料的热膨胀系数最低,达到12.236×10^-6/℃,满足与轴承钢热膨胀系数(12×10^-6/℃)的匹配要求。