01 概述

 

    金屬基復合材料是以第二相為增強材料，金屬或合金為基體材料制備而成的復合材料。

 

    02 特點

 

    高比強度、高比模量

    導電、導熱性能

    熱膨脹系數小、尺寸穩定好

    良好地高溫性

    能耐磨性好

    疲勞性能和斷裂韌度好

    性能再現性及可加工性好

    不吸潮、不老化、氣密性好

 

    03 增強體材料

 

 

    用于金屬基復合材料的典型增強體

 

    04增強體特性

 

    作為金屬基復合材料的增強體應具有以下基本特性：

    能明顯提高金屬基某種所需特性的性能：如高的比強度、比模量、高導熱性、耐熱性、耐磨性、低熱膨脹性等。

    良好地化學穩定性：在金屬基復合材料制備和使用過程中其組織結構和性能不發生明顯地變化和退化，與金屬基體有良好的化學相容性，不發生嚴重的界面反應。

    與金屬有良好地潤濕性：通過表面處理能與金屬基體良好潤濕、復合和分布均勻。

    05 增強體基本物性參數

 

    典型顆粒物增強體的物性參數

 

    典型晶須增強體的物性參數

    典型纖維增強體的物性參數

 

    06 增強體其他性質

 

    新一代電子封裝材料的研發主要以高熱導率的碳納米管。金剛石。高定向熱解石墨作為增強相，可忘獲得高導熱、低膨脹、低密度的理想電子封裝材料。

 

    07 金屬基復合材料的設計思路

 

    金屬基復合材料結構的一體化模擬設計與制造流程

 

   08 金屬基體的選擇原則

 

    金屬基復合材料構（零）件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據。

    金屬基復合材料有連續增強和非連續增強金屬基復合材料，由于增強物的性質和增強機制的不同，在基體材料的選擇原則上有很大差別。

    在連續纖維增強金屬基復合材料中基體的主要作用應是以充分發揮增強纖維的性能為主，基體本身應與纖維有良好的相容性和塑性。

    對于非連續增強（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復合材料，基體的強度對非連續增強金屬基復合材料具有決定的影響。

    在金屬基復合材料制備過程中金屬基體與增強物在高溫復合過程中會發生不同程度的界面反應，基體金屬中往住含有不同類型的合金元素，這些合金元素與增強物的反應程度不同，反應后生成的反應產物也不同，需在選用基體合金成分時充分考慮，盡可能選擇既有利于金屬與增強物浸潤復合，又有利于形成合適穩定的界面的合金元素。

 

    09 金屬基復合材料制造的關鍵性技術

 

 

    10 金屬基復合材料制備工藝

 

 

    11 金屬基復合材料工藝與選材

 

 

    12 金屬基復合材料制備工藝流程

 

粉末冶金法工藝流程圖

成品：SiCp/Al、SiCW/Al、Al2O3/Al、TiB2/Ti等金屬基復合材料零部件、板材或錠坯等

熱壓法工藝流程圖

成品：鎢絲－超合金、鎢絲－銅

熱等靜壓法工藝流程圖

成品：B/Al、SiC/Ti 管材

真空壓力浸漬技術的工藝流程圖

成品C/Al、C/Cu、C/Mg、SiCp/Al、SiCW+SiCp/Al 等復合材料零部件、板材、錠坯等

擠壓鑄造工藝流程圖

成品：SiCp/Al、SiCW/Al、C/Al、C/Mg、Al2O3/Al、SiO2/Al 等復合材料及其零部件、板材和錠坯等。

 

 

    共噴沉積工藝流程圖

可用于鋁、銅、鎳、鈷等有色金屬基體，也可用于鐵、金屬間化合物基體；可加入SiC、Al2O3、TiC、Cr2O3、石墨等多種顆粒；產品可以是圓棒、圓錠、板帶、管材等

自蔓延高溫合成法工藝流程圖

成品：AlB12/Ti、Al2O3-TiAl3/Al等鋁基復合材料

放熱彌散法法工藝流程圖

成品：TiC/A1、TiB2/Al、TiB2/Al-Li 等鋁基復合材料

 

    13 金屬基復合材料的界面

 

    機械結合：由粗糙的增強物表面及基體的收縮產生的摩擦力完成；

    溶解和潤濕結合：基體與增強物之間發生潤濕，并伴隨一定程度的相互溶解；

    反應結合：基體與增強物之間發生化學反應，在界面上形成化合物面產生的一種結合形式；

    交換反應結合：基體與增強物之間通過擴散發生元素交換的一種結合形式；

    混合結合：多種結合方式組合。

    14 金屬基復合材料的應用

 

    MMCs市場可細分為陸上運輸、電子/熱控、航空航天、工業、消費產品等5個部分。

 

    金屬基復合材料全球市場

 

    陸上運輸領域

 

    對于成本極端計較的汽車市場，唯一能接受的只有鋁基MMCs。MMCs主要用于耐熱耐磨的發動機和剎車部分（如活塞、缸套、剎車盤和剎車鼓），或用于需要高強度模量運動部件（如驅動軸、連桿）。

    在陸上運輸領域消耗的MMCs中驅動軸的用量超過50%，汽車和列車剎車件的用量超過30%。

 

    汽車剎車鼓和剎車碟（a）火車轉向架及剎車盤（b）

 

    電子/熱控領域

 

    如果以產值排序，高產品附加值的電子/熱控領域是第一大MMCs市場，產值比例超過60%。

    以SiCp/Al復合材料為代表的第二代熱管理材料主要用作微處理器蓋板/熱沉、倒裝焊蓋板、微波及光電器件外殼/基座、高功率襯底、IGBT基板、柱狀散熱鰭片等。其中，無線通訊與雷達系統中的視頻與微波器件封裝構成其最大的應用領域，其第二大應用領域則是高端微處理器的各種熱管理組件。

 

SiCp/Al 微處理器蓋板（a）

SiCp/Al 光電封裝基座（b）

 

    航空航天領域

 

    航空航天領域應用最多的是鋁基和鈦基復合材料。

    鋁基MMCs應用包括風扇導向葉片、武器掛架、液壓系統分路閥箱等，SiC鋁基MMCs應用于波導天線、支撐框架及配件、熱沉等。

    鈦基MMCs應用于燃氣渦輪發動機的接力器活塞。

 

    F-16的腹鰭采用金屬基復合材料

 

    其他領域

 

    B4Cp/Al MMCs用于廢核燃料貯存貯存水池（（a），貯存桶（b）

輸電線路用金屬基復合材料

 

    15 金屬基復合材料研究前沿

 

    金屬基復合材料的性能不僅取決于基體和增強體的種類和配比，更取決于增強體在基體中的空間配置模式（形狀、尺寸、連接形式和對稱性）。從中間或介觀尺度上人為調控的有序非均勻分布更有利于發揮設計自己有毒，從而進一步發掘MMCs的性能潛力、實現性能指標的最優配置。

    多元/多尺度MMCs

 

    通過引入不同種類、不同形態、不同尺度的增強相，利用多遠增強體本身物性參數不同，通過相與相、以及相界面與界面之間的耦合作用，呈現出比單一增強相復合條件下更好的優越性能。

    微結構韌化MMCs

 

    通過將非連續增強MMCs分化區隔為增強體顆粒富集區（脆性）和一定數量、一定尺寸、不含增強體基體區（韌性），這些純基體區域作為韌化相將會具有阻止裂紋擴展，吸收能力的作用，從而使MMCs的損傷容限得到提高。

    層狀MMCs

 

    受自然生物疊層結構達到強、韌最佳配合的啟發，韌脆交替的微疊層MMCs研究受到關注。通過微疊層來補償單層材料內在性能的不足，以滿足各種各樣的特殊應用需求，如耐高溫材料、硬度材料、熱障涂層材料等。

    泡沫MMCs

 

    多孔金屬泡沫具有多孔、減振、阻尼、吸音、散熱、吸收熱沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能，可通過對其引入粘彈性體、吸波涂料等功能組分達到多功能化的需求。

    雙連續/互穿網絡MMCs

 

    雙連續微結構設計可使增強體在基體合金中稱為連續的三維骨架結構，可更有效地發揮陶瓷增強體的剛度、低膨脹等特性。

    16 標準

 

    目前我們MMCs的相關標準嚴重缺失，MMCs的標準化工作大大落后于美國、日本等發達國家，也滯后于我國MMCs技術及產業的發展。

 

    17 生產商

 

 

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責任編輯：王元

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