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新型金屬基復(fù)合材料

2020-04-28 14:04:44 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材易通分享至：

概述

01金屬基復(fù)合材料定義

金屬基復(fù)合材料（metal matrix composite，簡(jiǎn)稱(chēng)MMCs）一般是以金屬或合金為基體，并以纖維、晶須、顆粒等為增強(qiáng)體的復(fù)合材料。主要有以高性能增強(qiáng)纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料；金屬基體中反應(yīng)自生增強(qiáng)復(fù)合材料；層板金屬基復(fù)合材料等品種。這些金屬基復(fù)合材料既保持了金屬本身的特性，又具有復(fù)合材料的綜合特性。通過(guò)不同基體和增強(qiáng)物的優(yōu)化組合，可獲得各種高性能的復(fù)合材料，具有各種特殊性能和優(yōu)異的綜合性能。

MMCs問(wèn)世至今已有40余年，由于具有高的比強(qiáng)度、比模量、耐高溫、耐磨損以及熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異的物理性能和力學(xué)性能，克服了樹(shù)脂基復(fù)合材料在宇航領(lǐng)域中使用時(shí)存在的缺點(diǎn)，得到了令人矚目的發(fā)展，成為各國(guó)高新技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域。由于金屬基復(fù)合材料加工工藝不夠完善、成本較高，還沒(méi)有形成大規(guī)模批量生產(chǎn)，因此仍是當(dāng)前研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

02金屬基復(fù)合材料分類(lèi)

金屬基復(fù)合材料除力學(xué)性能優(yōu)異外，還具有某些特殊性能和良好的綜合性能，應(yīng)用范圍廣。此外，金屬基復(fù)合材料品種繁多，有各種分類(lèi)方式，以下從基體、增強(qiáng)體以及用途三方面進(jìn)行分類(lèi)。

1 按基體材料類(lèi)型分類(lèi)

有鋁基、鎂基、鋅基、銅基、鉛基、鎳基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等復(fù)合材料。鋁、鎂、鈦、銅合金及金屬間化合物合金是目前應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅速的輕金屬合金。用其制成的各種高比強(qiáng)度、高比模量的輕型結(jié)構(gòu)件廣泛地應(yīng)用于航天、航空和汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的金屬基復(fù)合材料基體主要集中在鋁和鎂兩個(gè)合金系上。下面將對(duì)上述的鋁基、鎳基、鈦基復(fù)合材料首先作介紹。

①鋁基復(fù)合材料

這是在金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣的一種。由于鋁合金基體為面心立方結(jié)構(gòu)，因此具有良好的塑性和韌性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，為其在工程上應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。在制造鋁基復(fù)合材料時(shí)通常并不是使用純鋁而是用各種鋁合金。這主要是由于與純鋁相比鋁合金具有更好的綜合性能，至于選擇何種鋁合金作為基體。則往往根據(jù)對(duì)復(fù)合材料的性能需要來(lái)決定。

②鎳基復(fù)合材料

這種復(fù)合材料是以鎳及鎳合金為基體制造的。由于鎳的高溫性能優(yōu)良，因此這種復(fù)合材料主要用于制造高溫下工作的零部件。人們研制鎳基復(fù)合材料的一個(gè)重要目的，即是希望用它來(lái)制造燃汽輪機(jī)的葉片，從而進(jìn)一步提高燃汽輪機(jī)的工作溫度。但目前由于制造工藝及可靠性等問(wèn)題尚未解決，因而還未能取得滿意的結(jié)果。

③鈦基復(fù)合材料

鈦比任何其他的結(jié)構(gòu)材料具有更高的比強(qiáng)度。此外，鈦合金在中溫時(shí)比鋁合金能更好地保持其強(qiáng)度。因此，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，當(dāng)速度從亞音速提高到超音速時(shí)，鈦合金比鋁合金顯示出了更大的優(yōu)越性。隨著飛行速度的進(jìn)一步加快，還需要改變飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用更細(xì)長(zhǎng)的機(jī)翼和其他翼型，為此需要高剛度的材料，而纖維增強(qiáng)鈦合金可滿足這種對(duì)材料剛度的要求。

2 按增強(qiáng)體（種類(lèi)和形態(tài)）分類(lèi)

增強(qiáng)體的選擇，要求與復(fù)合材料基體結(jié)合時(shí)的潤(rùn)濕性較好，并且增強(qiáng)體的物理、化學(xué)相容性好，載荷承受能力強(qiáng)，盡量避免增強(qiáng)體與基體合金之間產(chǎn)生界面反應(yīng)等。增強(qiáng)相的選擇并不是隨意的，選擇一個(gè)合適的增強(qiáng)體需要從復(fù)合材料應(yīng)用情況、制備方法以及增強(qiáng)體的成本等諸多方面綜合考慮。金屬基復(fù)合材料按照增強(qiáng)體可分為連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、層狀復(fù)合材料和自生增強(qiáng)復(fù)合材料等。主要的復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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圖1 復(fù)合材料及其增強(qiáng)相的各種形態(tài)示意

以下簡(jiǎn)要討論按增強(qiáng)體分類(lèi)的各種類(lèi)型復(fù)合材料的特點(diǎn)。

①連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是利用高強(qiáng)度、高模量、低密度的碳（石墨）纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維等增強(qiáng)體與金屬基體組成高性能復(fù)合材料。通過(guò)基體、纖維類(lèi)型、纖維排布方向、含量、方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)組合，可獲得各種高性能。在纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中纖維具有很高的強(qiáng)度、模量，是復(fù)合材料的主要承載體，增強(qiáng)基體金屬的效果明顯。基體金屬主要起固定纖維、傳遞載荷、部分承載的作用。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬因纖維排布有方向性，其性能有明顯的各向異性，可通過(guò)在不同方向上纖維的排布來(lái)控制復(fù)合材料構(gòu)件的性能。在沿纖維軸向上具有高強(qiáng)度、高模量等性能，而橫向性能較差，在設(shè)計(jì)使用時(shí)應(yīng)充分考慮。由于原材料連續(xù)纖維價(jià)格昂貴，制造工藝復(fù)雜、成本很高，阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。

②非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，是由短纖維、晶須、顆粒為增強(qiáng)體與金屬基體組成的復(fù)合材料。在此類(lèi)復(fù)合材料中金屬基體仍起著主導(dǎo)作用，增強(qiáng)體在基體中隨機(jī)分布，其性能呈各向同性。非連續(xù)增強(qiáng)體的加入，明顯提高了金屬的耐磨、耐熱件，提高了高溫力學(xué)性能、彈性模量，降低了熱膨脹系數(shù)等。根據(jù)非連續(xù)增強(qiáng)體的來(lái)源可分為外加(ex-situ)和內(nèi)生(insitu)兩種。外加增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料是指其增強(qiáng)體是從外部加入，并使其均勻分布于金屬基體中。內(nèi)生增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料的基本原理，是在一定條件下通過(guò)元素之間或元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位自生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強(qiáng)相，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬基體的目的。與外加增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料相比，內(nèi)生增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料具有如下特點(diǎn)。

a.增強(qiáng)體是從金屬基體中原位形核、長(zhǎng)大的熱力學(xué)穩(wěn)定相，因此，增強(qiáng)體表面無(wú)污染，避免了與基體相容性不良的問(wèn)題，且界面結(jié)合強(qiáng)度高。

b.通過(guò)合理選擇反應(yīng)元素（或化合物）的類(lèi)型、成分從其反應(yīng)性可有效地控制原位生成增強(qiáng)體的種類(lèi)、大小、分布和數(shù)量。

c.省去了增強(qiáng)體單獨(dú)合成、處理和加入等工序，因此其工藝簡(jiǎn)單，成本較低。

d.從液態(tài)金屬基體中原位形成增強(qiáng)體的工藝，可用鑄造方法制備形狀復(fù)雜、尺寸較大的近凈成形構(gòu)件。

e.在保證材料具有較好的韌性和高溫性能的同時(shí)，可較大幅度地提高材料的強(qiáng)度和彈性模量。

綜上所述，非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料最大的特點(diǎn)是，可以用常規(guī)的粉末冶金、液態(tài)金屬攪拌、液態(tài)金屬擠壓鑄造、真空壓力浸漬、原位反應(yīng)合成等方法制造，并可用鑄造、擠壓、鍛造、軋制、旋壓等加工方法進(jìn)行加工成形，制造方法簡(jiǎn)便，制造成本低，適合于大批量生產(chǎn)，在汽車(chē)、電子、航空、儀表等工業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。

③層狀（層板）復(fù)合材料

層狀（層板）復(fù)合材料是以韌性和成形性較好的金屬作為基體材料，并含有重復(fù)排列的高強(qiáng)度高模量片層狀增強(qiáng)體的復(fù)合材料。由于層狀（層板）復(fù)合材料是將兩種或兩種以上優(yōu)化設(shè)計(jì)和選擇的層板相互完全黏結(jié)在一起組成，所以它具有單一板材所難以達(dá)到的綜合性能，如抗腐蝕、耐磨、抗沖擊、高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、高阻尼等性能特點(diǎn)。層板復(fù)合材料可由金屬與金屬板、金屬與非金屬板組合而成，種類(lèi)繁多，可滿足各種需求。其中，金屬層板復(fù)合材料、金屬一聚合物層板復(fù)合材料發(fā)展迅速，已有批量生產(chǎn)，逐漸發(fā)展成一類(lèi)工程材料，在汽車(chē)、船舶、化工、儀表等工業(yè)中廣泛應(yīng)用。

④自生增強(qiáng)復(fù)合材料

在金屬基體內(nèi)通過(guò)反應(yīng)、定向凝固等途徑生長(zhǎng)出顆粒、晶須、纖維狀增強(qiáng)物，組成自生金屬基復(fù)合材料。包括反應(yīng)自生和定向自生、大變形。

3 按用途分類(lèi)

①結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

以高比強(qiáng)度、高比模量、尺寸穩(wěn)定性、耐熱性等為主要性能特點(diǎn)，用于制造各種航天、航空、汽車(chē)、先進(jìn)武器系統(tǒng)等高性能構(gòu)件。

②功能復(fù)合材料

以高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、低膨脹、高阻尼、高耐磨性等物理性能的優(yōu)化組合為其主要特性，用于電子、儀器、汽車(chē)等工業(yè)。

③智能復(fù)合材料

智能復(fù)合材料是一類(lèi)基于仿生學(xué)概念發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)材料，它實(shí)際上是集成了傳感器、信息處理器和功能驅(qū)動(dòng)器的新型復(fù)合材料。

金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

01 金屬基復(fù)合材料的特性

金屬基復(fù)合材料的性能取決于所選用金屬或合金基體和增強(qiáng)體的特性、含量、分布等。通過(guò)優(yōu)化組合，不僅可以獲得基體金屬或合金具備的良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，抗苛刻環(huán)境能力，抗沖擊、抗疲勞性能和斷裂性能，還可以具有高強(qiáng)度、高剛度，出色的耐磨性能和更低的熱膨脹系數(shù)(CTE)。綜合歸納金屬基復(fù)合材料的特性如下。

1 高比強(qiáng)度、高比模量

由于在金屬基體中加入了適量的高強(qiáng)度、高模量、低密度的纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)體，明顯提高了復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量，特別是高性能連續(xù)纖維-硼纖維、碳（石墨）纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)物，具有很高的強(qiáng)度和模量。密度只有1.85g/cm3的碳纖維的最高強(qiáng)度可達(dá)到7000MPa，比鋁合金強(qiáng)度高出10倍以上，石墨纖維的模量為230-830GPa。硼纖維密度為2.4-2.6g/cm3，強(qiáng)度為2300-8000MPa，模量為350-450GPa。碳化硅纖維密度為2.5-3.4g/cm3，強(qiáng)度為3000-4500MPa，模量為350-450GPa。加入30%-50%的高性能纖維作為復(fù)合材料的主要承載體，復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量成倍地高于基體合金的比強(qiáng)度和比模量。圖2所示為典型的金屬基復(fù)合材料與基體合金性能的比較。用高比強(qiáng)度、高比模量復(fù)合材料制成的構(gòu)件質(zhì)量輕、剛性好、強(qiáng)度高，是航天、航空技術(shù)領(lǐng)域中理想的結(jié)構(gòu)材料。

圖2 典型金屬基復(fù)合材料與基體合金性能的比較

2 導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好

金屬基復(fù)合材料中金屬基體占有很高的體積分?jǐn)?shù)，一般在60％以上，因此仍保持金屬所特有的良好導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。良好的導(dǎo)熱性可以有效地傳熱，減小構(gòu)件受熱后產(chǎn)生的溫度梯度和迅速散熱，這對(duì)尺寸穩(wěn)定性要求高的構(gòu)件和高集成度的電子器件尤為重要。良好的導(dǎo)電性可以防止飛行器構(gòu)件產(chǎn)生靜電聚集的問(wèn)題。

在金屬基復(fù)合材料中采用高導(dǎo)熱性的增強(qiáng)體還可以進(jìn)一步提高金屬基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，使復(fù)合材料的熱導(dǎo)率比純金屬基體還高。為了解決高集成度電子器件的散熱問(wèn)題，現(xiàn)已研究成功的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、金剛石顆粒增強(qiáng)的鋁基、銅基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率比純鋁、銅還高，用它們制成的集成電路底板和封裝件可有效迅速地把熱量散去，提高了集成電路的可靠性。

3 熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好

金屬基復(fù)合材料中所用的增強(qiáng)物碳纖維、碳化硅纖維、晶須、顆粒、硼纖維等既具有很小的熱膨脹系數(shù)，又具有很高的模量，特別是高模量、超高模量的石墨纖維具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)。加入相當(dāng)含量的增強(qiáng)體不僅大幅度提高材料的強(qiáng)度和模量，也使其熱膨脹系數(shù)明顯下降并可通過(guò)調(diào)整增強(qiáng)體的含量獲得不同的熱膨脹系數(shù)，以滿足各種工況要求。例如，石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，當(dāng)石墨纖維的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到48％時(shí)，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為零，即在溫度變化時(shí)使用這種復(fù)合材料做成的零件不發(fā)生熱變形，這對(duì)人造衛(wèi)星構(gòu)件特別重要。通過(guò)選擇不同的基體金屬和增強(qiáng)體，以一定的比例復(fù)合在一起，可得到導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好的金屬基復(fù)合材料。圖3所示為一些典型金屬基復(fù)合材料和金屬材料的尺寸穩(wěn)定性和比模量。可見(jiàn)，石墨／鎂復(fù)合材料具有最高的尺寸穩(wěn)定性和最高的比模量。

圖3 幾種典型材料的尺寸穩(wěn)定性和比模量

4 良好的高溫性能

由于金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，增強(qiáng)纖維、晶須、顆粒在高溫下又都具有很高的高溫強(qiáng)度和模量。因此金屬基復(fù)合材料具有比基體金屬更高的高溫性能，特別是連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。在復(fù)合材料中纖維起著主要承載作用，纖維強(qiáng)度在高溫下基本上不下降，可保持到接近金屬熔點(diǎn)，并比金屬基體的高溫性能高許多。如鎢絲增強(qiáng)耐熱合金，其1100℃,100h高溫持久強(qiáng)度為207MPa，而基體合金的高溫持久強(qiáng)度只有48MPa；又如石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，在500℃高溫下仍具有600MPa的高溫強(qiáng)度，而鋁基體在300℃強(qiáng)度已下降到100MPa以下。因此金屬基復(fù)合材料被選用在發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫零部件上，可大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。總之，金屬基復(fù)合材料做成的零構(gòu)件比金屬材料、聚合物基復(fù)合材料零件能在更高的溫度條件下使用。

5 耐磨性好

金屬基復(fù)合材料，尤其是陶瓷纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料具有很好的耐磨性。這是因?yàn)樵诨w金屬中加入了大量的陶瓷增強(qiáng)體，特別是細(xì)小的陶瓷顆粒所致。陶瓷材料硬度高、耐磨、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，用它們來(lái)增強(qiáng)金屬不僅提高了材料的強(qiáng)度和剛度，也提高了復(fù)合材料的硬度和耐磨性。圖4是碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的耐磨性與基體材料和鑄鐵耐磨性的比較，可見(jiàn)SiCp/Al復(fù)合材料的耐磨性比鑄鐵還好，比基體金屬高出幾倍。SiCp/Al復(fù)合材料的高耐磨性在汽車(chē)、機(jī)械工業(yè)中有重要應(yīng)用前景，可用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)盤(pán)、活塞等重要零件，能明顯提高零件的性能和壽命。

圖4 SiCp/Al復(fù)合材料與鑄鐵、基體金屬耐磨性比較

6 良好的疲勞性能和斷裂韌度

金屬基復(fù)合材料的疲勞性能和斷裂韌度取決于纖維等增強(qiáng)體與金屬基體的界面結(jié)合狀態(tài)，增強(qiáng)體在金屬基體中的分布以及金屬、增強(qiáng)體本身的特性，特別是界面狀態(tài)。最佳的界面結(jié)合狀態(tài)既可有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴(kuò)展，提高材料的斷裂韌度。據(jù)美國(guó)宇航公司報(bào)道C/Al復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比為0.7左右。

7 不吸潮，不老化，氣密性好

與聚合物相比，金屬性質(zhì)穩(wěn)定、組織致密，不存在老化、分解、吸潮等問(wèn)題，也不會(huì)發(fā)生性能的自然退化，這比聚合物基復(fù)合材料優(yōu)越，在空間使用也不會(huì)分解出低分子物質(zhì)污染儀器和環(huán)境，有明顯的優(yōu)越性。

8 二次加工性能較好

MMCs成形方式多，變形特性?xún)?yōu)越，可有效借助目前成熟的各種金屬材料加工工藝及設(shè)備實(shí)現(xiàn)金屬及復(fù)合材料二次加工。

總之，金屬基復(fù)合材料所具有的高比強(qiáng)度、高比模量、良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、耐磨性、高溫性能、低的熱膨脹系數(shù)、高的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)異的綜合性能，使金屬基復(fù)合材料在航天、航空、電子、汽車(chē)等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。

02 金屬基復(fù)合材料的性能

與傳統(tǒng)金屬材料相比，MMC具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和耐磨性；與樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，MMC具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，高溫性能好，可焊接；與陶瓷基復(fù)合材料相比，MMC具有高韌性、高沖擊性能、線膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)。實(shí)用的MMC應(yīng)表現(xiàn)出低的密度和能與當(dāng)前工程材料相比的力學(xué)性能。幾種典型的金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能列于表1中。

表1 金屬基復(fù)合材料的典型力學(xué)性能

金屬基復(fù)合材料的優(yōu)異性能是多方面的，增強(qiáng)體使MMC的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度大幅度提高。MMC有良好的高溫性能，如高的蠕變抗力。這在長(zhǎng)纖維強(qiáng)化MMC中表現(xiàn)尤為突出。在金屬基體中加入不同的增強(qiáng)體后，大大提高了材料的耐磨性，磨損率可降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。MMC加入的增強(qiáng)體的密度低，因而材料的密度可顯著降低。利用陶瓷的線膨脹系數(shù)，使用它為增強(qiáng)體，可用來(lái)調(diào)節(jié)MMC的線膨脹系數(shù)，從而獲得與多種材料相匹配的復(fù)合材料。

金屬基復(fù)合材料的性能除了與增強(qiáng)材料成分、形態(tài)、體積分?jǐn)?shù)及基體合金成分有關(guān)外，還與界面組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而界面組織結(jié)構(gòu)與制備工藝，增強(qiáng)體表面處理工藝等有關(guān)。按照增強(qiáng)原理不同，可將金屬基復(fù)合材料分為連續(xù)纖維增強(qiáng)和非連續(xù)增強(qiáng)兩大類(lèi)。

1 長(zhǎng)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

在連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，增強(qiáng)纖維主要有硼纖維、碳纖維（石墨纖維）、SiC纖維、Al2O3纖維等，基體主要有鋁、鎂、鈦、銅、鎳及它們的合金。幾種典型連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能見(jiàn)表2。可見(jiàn)，纖維連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料的性能具有各向異性，縱向明顯高于橫向；復(fù)合材料的縱向強(qiáng)度、模量顯著高于基體合金。另外，很多資料表明沿纖維方向（縱向）加拉伸載荷的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的疲勞抗力優(yōu)于未增強(qiáng)的基體合金，使疲勞極限一般可成倍增加。合金的抗蠕變性能往往可因連續(xù)纖維的加入而大大改善。在這方面的典型例子是碳化硅連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，以此來(lái)彌補(bǔ)鈦合金蠕變抗力低的缺陷。由于低膨脹纖維的加入，復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)顯著減小，典型的例子就是Gr/Mg在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡天線支撐桿的應(yīng)用，使得在反復(fù)出入日照的條件下保持尺寸穩(wěn)定件。

表2 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能（縱向）

2 短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

短纖維的增強(qiáng)效果介于顆粒和連續(xù)纖維之間。由于短纖維的性能明顯低于晶須，尺寸明顯大于晶須，所以短纖維的增強(qiáng)效果不如晶須的增強(qiáng)效果。短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法主要有粉末冶金法、壓力浸滲法、擠壓鑄造法等。

短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是目前研究最多的。氧化鋁短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的室溫拉伸強(qiáng)度與基體合金相比提高不太明顯（表3），但它們的高溫強(qiáng)度保持率明顯優(yōu)于基體，彈性模量在室溫和高溫都有較大的提高，熱膨脹系數(shù)有所降低（表4），耐磨性能得到改善（圖5）。

表3 多晶氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的室溫及高溫性能

表4 氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率

圖5 氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的磨損性能及與基體和高鎳耐磨鑄鐵的比較

另外，采用擠壓鑄造法制備的Al2O3短纖維增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料具有明顯的強(qiáng)化效果，其高溫力學(xué)性能和耐磨性能得到了顯著提高。未經(jīng)增強(qiáng)鎂合金的性能在100-150℃以上便顯著降低，加入增強(qiáng)體后可顯著改進(jìn)基體合金的高溫性能。

3 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

在顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，常用的增強(qiáng)顆粒主要有SiC、Al2O3、TiC等，基體材料主要是選用合金元素含量較高、力學(xué)性能較好的工業(yè)鋁合金、鎂合金、鈦合金等，而不用純金屬。盡管其力學(xué)性能比纖維、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的低，但因其成本低廉、生產(chǎn)工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，便于批量生產(chǎn)，是工業(yè)應(yīng)用最有前途的材料。

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是將增強(qiáng)體顆粒加入到鋁合金后，引起基體合金微觀結(jié)構(gòu)的變化，同時(shí)使合金的性能發(fā)生改變的一種復(fù)合材料。鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能視制備工藝，增強(qiáng)體種類(lèi)、尺寸和體積分?jǐn)?shù)，基體合金及熱處理工藝的不同而存在一定的差異。表5中給出一些顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料基本力學(xué)性能數(shù)據(jù)。從表中可以看出，增強(qiáng)顆粒的加入，使復(fù)合材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都得到明顯提高，但卻使伸長(zhǎng)率顯著降低。

表5 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能

4晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

晶須增強(qiáng)金屬的試驗(yàn)最早采用的是Al2O3晶須，但由于其成本高，而且要使晶須在金屬基體中均勻分布也較困難，因而發(fā)展不快。但廉價(jià)的SiC晶須的加入，明顯提高了復(fù)合材料的彈性模量和強(qiáng)度，引起了晶須增強(qiáng)金屬研究的發(fā)展。用來(lái)增強(qiáng)的基體主要是Al、Mg及其合金。

①晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

SiCw/Al復(fù)合材料的性能見(jiàn)表6、表7，SiCw/Al復(fù)合材料強(qiáng)度與SiCw體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系見(jiàn)圖6，SiCw/2024Al復(fù)合材料強(qiáng)度、彈性模量與溫度的關(guān)系見(jiàn)圖7和圖8。可見(jiàn)，與基體合金相比，復(fù)合材料的強(qiáng)度、模量都有顯著提高，且高溫性能優(yōu)良，但密度稍有增加。復(fù)合材料的強(qiáng)度隨晶須的體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，而且其性能與制備工藝方法及參數(shù)也有很大關(guān)系。

表6 SiCw/60614Al復(fù)合材料性能