01 金屬基復(fù)合材料簡介

金屬基復(fù)合材料 (metal matrix composites),簡稱 (MMCs)是以金屬及其合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬增強(qiáng)相人工結(jié)合成的復(fù)合材料。其增強(qiáng)材料大多為無機(jī)非金屬，如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金屬絲。它與聚合物基復(fù)合材料(PMCs)、陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)以及碳/碳復(fù)合材料一起構(gòu)成現(xiàn)代復(fù)合材料體系。

金屬基復(fù)合材料具有以下的優(yōu)勢特點(diǎn)：

1）高比強(qiáng)度、高比模量

2）導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能

3）熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定好

4）良好地高溫性能

5）耐磨性好

6）疲勞性能和斷裂韌度好

7）性能再現(xiàn)性及可加工性好

8）不吸潮、不老化、氣密性好

金屬基復(fù)合材料與其他復(fù)合材料的不同點(diǎn)在于：

1）MMCs的基體是純金屬或合金，而非聚合物或陶瓷。

2）盡管與相應(yīng)的未增強(qiáng)的金屬基體合金相比，MMCs的延展性和韌性較低，但與陶瓷或CMCs相比，MMCs具有較高的延展性和韌性。

3）與PMCs一樣，MMCs中增強(qiáng)體的主要作用是提高強(qiáng)度和模量。而 CMCs中增強(qiáng)體通常用來改善材料的損傷容限。

4）通常來說，MMCs的承熱能力高于PMCs，但低于陶瓷和 CMC。

5）低增強(qiáng)體含量到中等增強(qiáng)體含量的MMCs通常可采用與未增強(qiáng)金屬同樣的加工成型工藝 。

02 金屬基復(fù)合材料體系

金屬基復(fù)合材料體系通常可簡單地由作為基體的金屬合金名稱以及陶瓷增強(qiáng)體的材料類型、體積分?jǐn)?shù)和形態(tài)來命名。如6061A1/30v/oSiC,指的是30％體積分?jǐn)?shù)的碳化硅顆粒作為增強(qiáng)體的非連續(xù)增強(qiáng)6061鋁合金，而連續(xù)增強(qiáng)的MMCs可由 SiCf來表示。

03 基體材料

金屬是用途極為廣泛的工程材料。通過選擇適當(dāng)?shù)暮辖鸪煞趾蜔釞C(jī)械加工方法，金屬材料可表現(xiàn)出多種易于控制的特性。金屬合金之所以在工程中廣泛應(yīng)用不僅是因?yàn)槠鋸?qiáng)度和韌性，還因?yàn)槠鋼碛卸喾N簡單廉價(jià)的零部件加工工藝。金屬基復(fù)合材料的發(fā)展反映了對使用單一金屬無法獲得的性能的需求。因此，通過在金屬中添加增強(qiáng)體得到的復(fù)合材料可能同時(shí)提高比剛度、疲勞和耐磨損性，也可能在提高比強(qiáng)度的同時(shí)獲得所需的熱特性（如降低熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率）。然而，改進(jìn)其性能所帶來的高成本將是金屬基復(fù)合材料潛在應(yīng)用所面臨的一大挑戰(zhàn)。

MMCs與PMCs或CMCs相比，具有不同的性能組合和工藝方法，這是由于作為基體材料的金屬與聚合物和陶瓷間的固有區(qū)別，也少量取決于所用增強(qiáng)體的性質(zhì)。純金屬是不透明且有光澤，一般具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性；拋光后往往可反光；同時(shí)，大多數(shù)金屬都具有良好的延展性但密度較高。這些特性反映了金屬中原子結(jié)合的本質(zhì)，這些原子有失去電子的趨向；產(chǎn)生的自由電子“氣”固定了正價(jià)金屬離子。相反，陶瓷和聚合物是元素的化合物，陶瓷中的分子間結(jié)合和聚合物中的分子間結(jié)合的特點(diǎn)是原子間的電子共用或原子間的電子遷移。陶瓷和聚合物中缺乏自由電子（由于分子間的范德華力結(jié)合，聚合物中沒有自由電子）導(dǎo)致其導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性較差，并且與金屬材料相比，可塑性和韌性也較差。

 MMCs中影響基體合金選擇的重要因素之一就是復(fù)合材料是否為連續(xù)或非連續(xù)增強(qiáng)。采用連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體會使絕大部分的載荷施加到增強(qiáng)纖維上，因此，纖維強(qiáng)度決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度。基體合金的主要作用是將載荷有效地傳遞給纖維，并在纖維發(fā)生失效時(shí)鈍化裂紋，因此，這些連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料基體材料的選擇更著重于韌性而不是強(qiáng)度。基于上述討論，低強(qiáng)度、高延展性、高韌性基體合金可用于連續(xù)增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料中。對于非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，可能由基體決定復(fù)合材料的強(qiáng)度。因此，基體的選擇將受到復(fù)合材料強(qiáng)度需求的影響。此外，還需要考慮的因素有：在制備或服役過程中由于增強(qiáng)體／基體的潛在反 應(yīng)可能導(dǎo)致復(fù)合材料性能的下降；增強(qiáng)體和基體間由于熱膨脹錯(cuò)配引起的熱應(yīng)力；基體疲勞行為對復(fù)合材料循環(huán)響應(yīng)的影響。

基體材料形式與類型

金屬材料通常可制成多種多樣的產(chǎn)品形式為后續(xù)的加工生產(chǎn)做準(zhǔn)備，這些形式有鑄造重熔料和鍛造材料，包括絲、箔材、板材、棒材、各種擠壓型材以及粉末。許多這些不同形式的金屬都可用于生產(chǎn)MMCs。像液態(tài)金屬浸滲這樣的熔融加工方法要求有可重熔組分。

許多金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用需考慮多個(gè)方面而不只是強(qiáng)度（如電觸頭），因此，對基體材料的類型就有相應(yīng)的要求。純金屬通常軟且弱，具有較高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。這是因?yàn)閷?dǎo)致易塑性變形、低強(qiáng)度及高延展性的因素同時(shí)也使 自由電子易于運(yùn)動，從而也導(dǎo)致較高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。因此，需同時(shí)滿足高熱導(dǎo)率或電導(dǎo)率、高強(qiáng)度以及高耐磨特性的材料，例如觸電材料，可選用陶瓷增強(qiáng)純金屬基體的復(fù)合材料。基體合金也可以按熔點(diǎn)分類。具有超高熔點(diǎn)的材料，如鉬、鈮和鎢稱為耐火材料，意思是難以熔化。如鐵、鎳和銅等金屬被認(rèn)為表現(xiàn)出一般的熔化行為，而鋁和鎂是熔點(diǎn)較低的材料。目前，已用作金屬基復(fù)合材料基體的合金體系包括鋁、銅、鐵（鋼）、鎂、鎳以及鈦。

 

04 增強(qiáng)體材料

MMCs的增強(qiáng)體材料可以是非連續(xù)纖維或添加到金屬基體的第二相，其將導(dǎo)致一些性能的改善，通常是強(qiáng)度和／或剛度的提高。MMCs中最常用的增強(qiáng)體材料有陶瓷（氧化物、碳化物和氮化物等），其特性是在室溫和高溫環(huán)境下均具有高強(qiáng)度和高剛度。常用的MMCs增強(qiáng)體材料有SiC，Al2O3、TiB2、B4C和石墨，金屬增強(qiáng)體則不常用。

 

增強(qiáng)體可以分為兩大類 ：①顆粒或晶須；②纖維。纖維增強(qiáng)體還可細(xì)分為連續(xù)和非連續(xù)。纖維增強(qiáng)了其鋪設(shè)方向上的強(qiáng)度，但在垂直于纖維鋪設(shè)方向上的強(qiáng)度低是連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特征。另外，非連續(xù)增強(qiáng)的MMCs表現(xiàn)出更多各向同性特征。在一些MMCs體系中，兩種或多種增強(qiáng)體的存在會使復(fù)合材料表現(xiàn)出特定的性能。

增強(qiáng)體的作用取決于其在MMCs中的形態(tài)。顆粒或晶須增強(qiáng) MMCs中，基體是主要的承載組分。增強(qiáng)體的作用是通過機(jī)械約束作用阻止基體變形來使復(fù)合材料增強(qiáng)增硬。這種約束通常是顆粒間間距與顆粒直徑比值的函數(shù)。在連續(xù)纖維增強(qiáng)MMCs中，增強(qiáng)體是主要的承載組分。金屬基體的作用是將增強(qiáng)體結(jié)合到一起并且傳遞和分配載荷。非連續(xù)纖維增強(qiáng) MMCs則顯示出介于連續(xù)纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料之間的特征。通常來說，增強(qiáng)體的加人提高了材料的強(qiáng)度、剛度和熱容，但降低了所得MMCs的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)與高密度的金屬基體結(jié)合時(shí)，增強(qiáng)體還可降低復(fù)合材料的密度，從而可以提高某些性能例如比強(qiáng)度。

 

    用于金屬基復(fù)合材料的典型增強(qiáng)體

 

05 增強(qiáng)體特性

 

作為金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體應(yīng)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(qiáng)度、比模量、高導(dǎo)熱性、耐熱性、耐磨性、低熱膨脹性等。

良好地化學(xué)穩(wěn)定性：在金屬基復(fù)合材料制備和使用過程中其組織結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生明顯地變化和退化，與金屬基體有良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。

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(fù)合和分布均勻。

06 增強(qiáng)體基本物性參數(shù)

 

    典型顆粒物增強(qiáng)體的物性參數(shù)

 

    典型晶須增強(qiáng)體的物性參數(shù)

    典型纖維增強(qiáng)體的物性參數(shù)

 

07 增強(qiáng)體其他性質(zhì)

 

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

 

08 金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)思路

 

    金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一體化模擬設(shè)計(jì)與制造流程

 

08 金屬基體的選擇原則

 

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

金屬基復(fù)合材料有連續(xù)增強(qiáng)和非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，由于增強(qiáng)物的性質(zhì)和增強(qiáng)機(jī)制的不同，在基體材料的選擇原則上有很大差別。

在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性。

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

在金屬基復(fù)合材料制備過程中金屬基體與增強(qiáng)物在高溫復(fù)合過程中會發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)，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(qiáng)物的反應(yīng)程度不同，反應(yīng)后生成的反應(yīng)產(chǎn)物也不同，需在選用基體合金成分時(shí)充分考慮，盡可能選擇既有利于金屬與增強(qiáng)物浸潤復(fù)合，又有利于形成合適穩(wěn)定的界面的合金元素。

 

09 金屬基復(fù)合材料制造的關(guān)鍵性技術(shù)

 

 

10 金屬基復(fù)合材料制備工藝

 

 

11 金屬基復(fù)合材料工藝與選材

 

 

12 金屬基復(fù)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(fù)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(shù)的工藝流程圖

成品C/Al、C/Cu、C/Mg、SiCp/Al、SiCW+SiCp/Al 等復(fù)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(fù)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(chǎn)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(fù)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(fù)合材料

 

13 金屬基復(fù)合材料的界面

 

機(jī)械結(jié)合：由粗糙的增強(qiáng)物表面及基體的收縮產(chǎn)生的摩擦力完成；

溶解和潤濕結(jié)合：基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生潤濕，并伴隨一定程度的相互溶解；

反應(yīng)結(jié)合：基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成化合物面產(chǎn)生的一種結(jié)合形式；

交換反應(yīng)結(jié)合：基體與增強(qiáng)物之間通過擴(kuò)散發(fā)生元素交換的一種結(jié)合形式；

混合結(jié)合：多種結(jié)合方式組合。

14 金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用

 

MMCs市場可細(xì)分為陸上運(yùn)輸、電子/熱控、航空航天、工業(yè)、消費(fèi)產(chǎn)品等5個(gè)部分。

 

    金屬基復(fù)合材料全球市場

 

陸上運(yùn)輸領(lǐng)域

 

對于成本極端計(jì)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(fā)動機(jī)和剎車部分（如活塞、缸套、剎車盤和剎車鼓），或用于需要高強(qiáng)度模量運(yùn)動部件（如驅(qū)動軸、連桿）。

在陸上運(yùn)輸領(lǐng)域消耗的MMCs中驅(qū)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(zhuǎn)向架及剎車盤（b）

 

電子/熱控領(lǐng)域

 

如果以產(chǎn)值排序，高產(chǎn)品附加值的電子/熱控領(lǐng)域是第一大MMCs市場，產(chǎn)值比例超過60%。

以SiCp/Al復(fù)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(dá)系統(tǒng)中的視頻與微波器件封裝構(gòu)成其最大的應(yīng)用領(lǐng)域，其第二大應(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)域

 

航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最多的是鋁基和鈦基復(fù)合材料。

鋁基MMCs應(yīng)用包括風(fēng)扇導(dǎo)向葉片、武器掛架、液壓系統(tǒng)分路閥箱等，SiC鋁基MMCs應(yīng)用于波導(dǎo)天線、支撐框架及配件、熱沉等。

鈦基MMCs應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的接力器活塞。

 

    F-16的腹鰭采用金屬基復(fù)合材料

 

其他領(lǐng)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(fù)合材料

 

15 金屬基復(fù)合材料研究前沿

 

金屬基復(fù)合材料的性能不僅取決于基體和增強(qiáng)體的種類和配比，更取決于增強(qiáng)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(diào)控的有序非均勻分布更有利于發(fā)揮設(shè)計(jì)自己有毒，從而進(jìn)一步發(fā)掘MMCs的性能潛力、實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的最優(yōu)配置。

多元/多尺度MMCs

 

通過引入不同種類、不同形態(tài)、不同尺度的增強(qiáng)相，利用多遠(yuǎn)增強(qiáng)體本身物性參數(shù)不同，通過相與相、以及相界面與界面之間的耦合作用，呈現(xiàn)出比單一增強(qiáng)相復(fù)合條件下更好的優(yōu)越性能。

微結(jié)構(gòu)韌化MMCs

 

通過將非連續(xù)增強(qiáng)MMCs分化區(qū)隔為增強(qiáng)體顆粒富集區(qū)（脆性）和一定數(shù)量、一定尺寸、不含增強(qiáng)體基體區(qū)（韌性），這些純基體區(qū)域作為韌化相將會具有阻止裂紋擴(kuò)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(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)、韌最佳配合的啟發(fā)，韌脆交替的微疊層MMCs研究受到關(guān)注。通過微疊層來補(bǔ)償單層材料內(nèi)在性能的不足，以滿足各種各樣的特殊應(yīng)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(dá)到多功能化的需求。

雙連續(xù)/互穿網(wǎng)絡(luò)MMCs

 

雙連續(xù)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使增強(qiáng)體在基體合金中稱為連續(xù)的三維骨架結(jié)構(gòu)，可更有效地發(fā)揮陶瓷增強(qiáng)體的剛度、低膨脹等特性。

16 標(biāo)準(zhǔn)

 

目前我們MMCs的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重缺失，MMCs的標(biāo)準(zhǔn)化工作大大落后于美國、日本等發(fā)達(dá)國家，也滯后于我國MMCs技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

 

17 生產(chǎn)商