金属复合材料:金属基复合材料

金属基复合材料 (metal matrix composite=MMC)：用纤维、颗粒、晶须增强的金属，合金或金属间化合物。

特性

它是当前复合材料研究开发的重要领域，80年代以来发展很快。树脂基复合材料由于本身的特性通常只能在350℃以下使用。金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强度、高模量和低膨胀系数的特点外，它能耐300～1200℃的温度，同时还具有不燃性、高的导电性和导热性、不吸湿和耐老化等特性，而且在较高温度下不会放出污染环境的有害气体。若与传统的金属材料相比，金属基复合材料重量轻、强度和刚度高、耐磨损。但金属基复合材料的造价较高，有些制备工艺较为复杂。

分类

金属基复合材料分为纤维增强型(包括短纤维和毡)、颗粒和晶须增强型、定向凝固共晶型和层状型(交替叠层型)。

纤维增强金属基复合材料

由纤维增强的金属、合金或金属问化合物。它是在50年代末开始研究和发展起来的-种金属基复合材料。在纤维增强金属基复合材料中常用的增强体有：硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、钨丝、钼丝、钢丝等。常用的基体有：铝、镁、钛、铜、铅及其合金，高温合金。其中以铝基复合材料的研究与发展最为迅速，技术比较成熟，应用也较广泛。纤维增强金属基复合材料的性能取决于纤维和基体金属的类型和性能，纤维的含量与分布、纤维与基体金属间界面的结构和性能，以及制备工艺过程。纤维增强金属基复合材料的制备工艺与性能列于表1中。

各种纤维增强金属基复合材料具有不同的综合性能，用于不同的领域。铝基和镁基复合材料主要用于航天、航空领域作为高性能的结构材料。钛基和高温合金基复合材料主要用于发动机零件。铜、铅基复合材料主要用于电子和能源领域，作为特殊的导体和电极材料。

(1)碳(石墨)/铝、碳(石墨)/镁复合材料具有高的比强度和比模量，又具有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，已成功地用于人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜和照相机的镜简、红外反射镜、人造卫星抛物面天线等。

(2)硼/铝复合材料是应用最早的纤维增强金属基复合材料，具有很高的比强度和比模量，可作主承力构件。硼/铝复合材料管柱用于航天飞机机舱框架结构，243根硼/铝组成的航天飞机机舱框架结构比用铝制重量减轻44％。硼/铝复合材料也用于航空和先进武器系统，例如做成B1飞机的垂直尾翼、发动机风扇叶片、导弹构件，还用于核能装置和核燃料的储运设备等。

(3)钨丝增强高温合金、钨丝增强铜、碳化硅纤维增强Ti₃Al、TiAl、Ni₃Al等金属间化合物在燃气轮机耐热零件、火箭发动机方面的应用是金属基复合材料研究的重要方向之一。这些高温金属基复合材料具有良好的高温强度、抗蠕变性、抗冲击、耐热疲劳等性能，用作燃气轮机叶片、转动轴等高强零件，能明显提高发动机的效率。纤维增强金属基复合材料，由于具有良好的导热、导电性能和低的热膨胀系数，在电子工业中用作大功率大规模集成电路元件基板热膨胀系数与硅材料相当，可避免热应力造成的硅片损伤和器件失效，提高了集成电路元件的可靠性。

(4)碳/铜复合材料具有优良的导电性和耐烧蚀性，做成的单级惯性电极电刷可通过1000A/cm²的大电流，在粒子束武器中有重要作用。碳/铅复合材料可用作核潜艇大型蓄电池极板。

纤维增强金属基复合材料在汽车、体育、纺织等工业中的应用也正在迅速发展。特别是在汽车工业中用纤维增强金属基复合材料制造内燃机活塞、连杆、活塞销等发动机零件，有效地减轻运动部件的重量，提高发动机的效率和使用寿命。用氧化铝、硅酸铝纤维增强的铝活塞是金属基复合材料在民用工业中应用最成功的实例。由于在铝合金中加入氧化铝短纤维而有效地提高了合金的高温强度、耐磨性和减小热膨胀系数，使发动机效率提高5％，寿命提高5倍以上。

以一种或多种金属、非金属或陶瓷的颗粒作增强体，弥散于金属基体中所470制成的-种金属基复合材料。由于纤维增强金属基复合材料所用长纤维的价格昂贵，制备工艺复杂，使纤维增强复合材料的发展和应用受到限制。然而，颗粒增强金属基复合材料的制备工艺比较容易，成本低，并可用热压、热挤压、热轧等常规热加工工艺加工成形，增强相在基体内弥散分布具有各向同性，适于复杂应力状态下使用。70年代颗粒增强铝基复合材料得到迅速发展，80年代又相继开发了镁、钛、镍及各种金属间化合物复合材料。

颗粒增强铝基复合材料是研究较多、比较成熟的-类金属基复合材料。其中碳化硅颗粒增强铝基复合材料，由于碳化硅颗粒与铝有良好的界面接合强度，铝基体经碳化硅颗粒增强后能显著提高弹性模量、抗拉强度、高温性能和耐磨性，采用常规粉末冶金法或铸造法即可进行制备，它是当前金属基复合材料中应用最广，最早能实现大规模产业化的品种。

碳化硅颗粒增强铝的密度仅为钢的1/3，为钛合金的2/3而与铝合金相近。它的强度比中碳钢好，与钛合金相近而比铝合金略高。模量略高于钛合金但比铝合金高很多。在耐睹性上与钢相似，优于钛合金，比铝合金大1倍。其价格与铝合金大致相当，而仅为钛合金的1/5。目前已经小批量用于汽车工业和机械工业中。可应用于火箭和导弹构件，红外及激光制导系统构件，超轻空间望远镜，精密航空电子器件封装材料，坦克履带板等。

晶须增强金属基复合材料

以晶须为增强体，以金属为基体所形成的-种金属基复合材料。它的研究始于60年代末，当时采用蓝宝石晶须和碳化硅晶须等增强各种金属基体，但由于晶须昂贵，限制了它的使用。70年代美国Cutter发明用稻壳为原料生产廉价晶须的技术，使-度低落的晶须增强金属基复合材料的研究又重新活跃起来。80年代-些发达国家，尤其是美国和日本，对晶须增强金属基复合材料的制备、加工技术及性能等方面的研究已相当成熟。晶须增强金属基复合材料最突出的优点是可以进行二次加工，-般采用热挤压、热轧制和热旋压等方法。二次加工可消除复合材料中的孔洞，提高晶须分布的均匀性，从而能提高强度并明显改善材料的塑性。晶须增强金属基复合材料已在航天航空、汽车、体育器械及纺织等部门得到应用。晶须增强金属基复合材料以其优异的性能正在受到注视。

定向凝固共晶复合材料

是-种自生纤维(或片层)增强的金属基复合材料，它的纤维或片层是在合金熔体定向凝固时和基体同时生长的。1960年定向凝固技术开始用于制备复合材料，采用定向凝固法能生产出具有特殊物理和力学性能的金属基复合材料。定向共晶复合材料的两相具有不同的电、磁、热等物理性能以及由规则排列引起的各向异性，使这类材料可用作电磁材料、电子材料等。如定向凝固的Ni-w共晶合金可作冷发射电极，定向凝固共晶InSb-NiSb系列已广泛用于电磁场传感器、无触点电位计等。

80年代定向凝固共晶合金出现了以NiAl、Ni₃Al为基的新型合金。同时，用NbC、TaC纤维强化的定向共晶高温合金已逐步向实用化阶段过渡。1977年，美国成功地进行了NiTaCl₃定向共晶合金制造的低压涡轮实心叶片发动机试车，80年代后期，美国又采用NiTaCl4B定向共晶合金制作高压涡轮空心冷却叶片，通过了184h的高性能发动机台架试车，与定向凝固高温合金Rene’150叶片相比，使用温度提高了38℃。因而，定向凝固共晶复合材料具有潜力，有待于进-步研究开发。

层状金属基复合材料

层状金属基复合材料在金属基体外包覆以金属、聚合物或陶瓷而制成的材料，又称交替叠层型金属复合材料。层状金属基复合材料的使用历史悠久，在古代就已使用钢和铁制成利而韧的刀剑。应用最多的是金属/金属层状材料，表2中列有各种金属材料的可能组合。

层状金属基复合材料的制备方法有涂饰法和包覆法。涂饰法是将第二种组分材料覆盖在金属基体上并形成-层连续的薄膜，通常使用的方法有电镀、热浸、喷涂和化学气相沉积等。包覆法是将熔化的材料或固体材料粘结在金属基体表面，采用的方法有轧制、热压、铸造、挤压、爆炸复合、钎焊和焊接等。包覆表层的厚度-般为总厚度的5％～20％，特殊情况可达90％。

在现代工业中的应用十分广泛。如：

(1)在航空工业中用作飞机蒙皮的铝包覆硬铝(称三夹板)，其中间层铝合金提供所需的高力学性能，两层纯铝外层具有稳定的耐腐蚀性能，保护了不耐蚀的铝合金。80年代出现的ARALL(aramidAluminiumlaminate)是-种芳酰胺纤维增强的环氧层与铝箔构成的层状铝基复合材料。它除了具有高的比强度、比模量和优异的抗疲劳特性外，还具有金属材料所具有的良好塑性、抗冲击性及易加工性，被誉为下-代飞机的结构材料。它适于制作飞机的耐疲劳部件，如机翼下的蒙皮和机身。用于F-27飞机可使其总重量减轻30％，用于波音747可使其总重量减轻40％。

(2)钛、钽有优异的耐蚀性能被用于化工设备，但由于钛和钽的价格是不锈钢的数倍，而使其应用受到限制。用轧合法或爆炸复合法将钛包覆在钢板上制成钛包钢复合板，或将钽包覆在铜板上制成钽包铜复合板。这种复合板的包覆层提供了优异的耐蚀性能，基体金属提供了足够的力学性能，又能大幅度降低成本。

(3)轻型汽车轴瓦使用的铝基钢带是由纯铝带、铝合金带、纯铝带三层金属冷轧复合，然后再与钢带冷轧复合而成的金属复合带。这种层状铝基钢带中的钢背、能够给轴瓦提供足够的强度与刚度，既弥补了铝合金的不足，又能充分发挥铝合金轴瓦的固有性能。

(4)美国除了纪念硬币外的大小硬币都是用层状金属基复合材料制成的。这种材料是由铜层和外包两层较薄的铜镍合金(75％铜和25％镍)组成，其体积比例为：1/6：4/6：1/6。外层铜镍合金提供了所需要的外观、耐磨损和耐蚀性能，内层铜保证了所要求的密度。

(5)许多接点材料是由银、铂、铂族金属包覆钢、青铜或镍而制成的。恒温元件由两层或多层膨胀系数不同的组分制成，温度变化时材料的曲率也随之变化。高膨胀组分有黄铜、蒙乃尔合金、奥氏体镍-铬-铁和镍-锰-铁、镍-钼-铁合金和镁-镍-铜合金等。低膨胀组分有镍-铁合金(即因瓦恒范镍钢)。