金属基复合材料的种类与性能
金属基复合材料(MMC)
普通压铸工艺过程
将包含有增强材料的金属熔体倒入预热模 具中后迅速加压，压力约为70—l00MPa， 使液态金属基复合材料在压力下凝固。待 复合材料完全固化后顶出，即制得所需形 状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸 件。
增强材料预制体的压铸工艺过程
将熔融金属注入装有增强材料(长、短纤维， 颗粒或晶须)的预制件模具中，并在压力下使 之渗入预制件的间隙，在高压下迅速凝固成金 属基复合材料
三、镁及镁合金
特点：密度1.74g/cm3
由于其密度低，比强度、比刚度较高， 镁具有密排六方结构，室温和低温塑性较低，
但高温塑性好可进行各类形式的热变形加工。 减震性能好，能承受较大的冲击振动负荷
四、金属间化合物
具有反常的温度 强度效应
脆性很大
第三节 MMC制备工艺
根据各种制备方法的基本特点，金 属基复合材料的制备工艺分为四大类， 即 (1)固态法； (2)液态法； (3)喷涂与喷射沉积法； (4)原位复合法。
可以用传统的加工方法进行二次加工
粉末冶金的缺点
工艺过程比较复杂，金属基体必须制 成金属粉末，增加了工艺的复杂性和 成本
在制备铝基复合材料时，还要防止铝 金属粉末引起的爆炸
二、液态法
1．压铸 压铸成型(Squeeze casting)，是指在压
力的作用下，将液态或半液态金属基复 合材料或金属以一定速度充填压铸模型 腔或增强材料须制体的孔隙中，在压力 下快速凝固成型而制备金属基复合材料 的工艺方法。
铝的基本特点：熔点660℃ ，密度 2.7g/cm3
具有面心立方结构．所以其塑性优异，适合各 种形式的冷、热加工
导电、导热性能好，约为铜的60％左右 化学活性高，在大气中铝表面与氧形成一层薄
复合材料中的基体材料
复合材料中的基体材料复合材料是由两种或更多种不同材料组成的材料，其中一种材料称为基体材料。
基体材料在复合材料中起到支撑和固定增强材料（通常是纤维或颗粒）的作用。
基体材料的选择对复合材料的性能和应用起着至关重要的作用。
下面将介绍一些常见的基体材料及其特点。
1.金属基体材料：金属基体材料主要是指铝、镁、钛等金属材料。
金属基复合材料具有高强度、高刚度、优良的导热性、良好的耐腐蚀性和可加工性等优点。
金属基复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、船舶制造和建筑等领域。
2.高分子基体材料：高分子基体材料主要是指树脂类材料，如环氧树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺等。
高分子基复合材料具有重量轻、绝缘性能好、抗腐蚀性能好等特点。
高分子基复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、电子电器等领域。
3.陶瓷基体材料：陶瓷基体材料主要是指氧化铝、氧化硅、碳化硅等无机材料。
陶瓷基复合材料具有高硬度、高耐磨性、抗高温等特点。
陶瓷基复合材料广泛应用于制造耐火材料、摩擦材料和高温结构材料等领域。
4.碳基体材料：碳基体材料主要是指碳纤维、炭黑等碳材料。
碳基复合材料具有重量轻、高强度、高刚度、耐高温、导电性能好等特点。
碳基复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、体育器材等领域。
5.纳米基体材料：纳米基体材料主要是指纳米颗粒、纳米管、纳米片等纳米材料。
纳米基复合材料具有独特的物理、化学和力学性能，如高强度、高硬度、低摩擦系数等。
纳米基复合材料在材料科学领域具有重要的应用前景。
总之，基体材料是复合材料中重要的组成部分，其种类和性能直接影响着复合材料的性能和应用范围。
随着科技的发展，不断有新型的基体材料涌现，为复合材料的开发和应用带来了新的可能性。
金属基复合材料
四、挤压铸造法
挤压铸造法是制造金属基复合材料较理 想的途径，此工艺先将增强体制成预成型 体，放入固定模型内预热至一定温度，浇 人金属熔体，将模具压下并加压，迅速冷 却得到所需的复合材料。
挤压铸造法特点：可以制备出增强相非常 高体积分数（40 %~50 %）的金属基复合 材料，由于在高压下凝固，既改善了金属 熔体的浸润性，又消除了气孔等缺陷，因 此，挤压铸造法是制造金属基复合材料质 量较好，可以一次成型。
六、熔体浸渗法
熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。 当前是利用惰性气体和机械装置作为压力 媒体将金属熔体浸渗进多气孔的陶瓷预制 块中，可制备体积分数高达50 %的复合材 料，随后采用稀释的方法降低体积分数。
三、原位生成法
原位生成法指增强材料在复合材料制造 过程中，并在基体中自己生成和生长的方 法，增强材料以共晶的形式从基体中凝固 析出，也可与加入的相应元素发生反应、 或者合金熔体中的某种组分与加入的元素 或化合物之间的反应生成。前者得到定向 凝固共晶复合材料，后者得到反应自生成 复合材料。
原位生成复合材料的特点：增强体是 从金属基体中原位形核、长大的热力学稳 定相，因此，增强体表面无污染，界面结 合强度高。而且，原位反应产生的增强相 颗粒尺寸细小、分布均匀，基体与增强材 料间相容性好，界面润湿性好，不生成有 害的反应物，不须对增强体进行合成、预 处理和加入等工序，因此，采用该技术制 备的复合材料的综合性能比较高，生产工 艺简单，成本较低。
一、搅拌铸造法
搅拌铸造法制备金属基复合材料起源于 1968年，由S.Ray在熔化的铝液中加入氧化 铝，并通过搅拌含有陶瓷粉末的熔化状态 的铝合金而来的。
搅拌铸造法的特点是：工艺简单，操作 方便，可以生产大体积的复合材料（可到 达500 kg），设备投入少，生产成本低， 适宜大规模生产。但加入的增强相体积分 数受到制，一般不超过20 %，并且搅拌后 产生的负压使复合材料很容易吸气而形成 气孔，同时增强颗粒与基体合金的密度不 同易造成颗粒沉积和微细颗粒的团聚等现 象。
金属基复合材料
Metal－Matrix
发展方向
1、大力研究发展颗粒增强的铝基、镁基复合材料。
• 国际ALCON公司已建成年产1.1万吨颗粒增强铝基复合材 料型材、棒材、锻材、铸锭以及零件的专业工厂。生产的 SiCp/Al（Mg）锭块单重达596公斤。
2、高温金属基复合材料的研究
Metal－Matrix
缺点
1、金属基复合材料在基体屈服以前的一个较小范围内，应力应变关系才 是线性的。除非采用很硬的基体，否则在拐点以上，金属基复合材料的 有效弹性模量就不再明显大于树脂基复合材料。 一般来说，树脂基复合材料在纤维方向具有很好的线性弹性，具有很高 的比强度和比刚度。这是金属基复合材料所不及的。 2、剪切强度和层间拉伸强度较低 与金属基体材料相比，金属基复合材料的面内剪切强度、层间剪切强度、 横向拉仲强度和层间拉仲强度都比较低。与纤维方向金属基复合材料的 拉、压强度比就更低。但与树脂基复合材料的这些性能比，又强得多。 提高界面的结合强度，可提高这些性能，但冲击强度下降。 3、在抵抗某些环境腐蚀方面，金属基复合材料不如树脂基复合材料。 4、在金属基复合材料制造过程中，涉及到高温、增强材料的表面处理、 复合成型等复杂工艺。因此，金属基复合材料很难制造、成本很高。 5、金属基复合材料密度较大。 6、由于金属基复合材料的研究起步较晚，再加上实际应用范围和制造成 本等因素的影响，目前金属基复合材料的技术水平落后于聚合物基复合 材料和陶瓷基复合材料。
应用
3、电子材料工业 • 电子材料工业，特别是近年来蓬勃发展的微电子工业，对材料有较高的使用
要求。SiC颗粒增强铝基复合材料，可通过调节SiC颗粒的含量使其热膨胀系 数于与基材匹配，并且具有导热性好、尺寸稳定性优良、低密度、适合钎焊 等性能。用它代替钢/钼基座，可以改善微电子器件的性能。 • 硼/铝复合材料用作多层半导体芯片的支座，是一种很好的散热冷却材料，由 于这种材料导热性好、热膨胀系数与半导体芯片非常接近，故能大大减少接 头处的热疲劳。 • 石墨纤维增强铜基复合材料的强度和模量比铜高，又保持了铜的优异的导电 和导热性能。通过调节复合材料中石墨纤维的含量及排布方向，可使其热膨 胀系数非常接近任何一种半导体材料，因此被用来制造大规模集成电路的底 板和半导体装置的支持电板，防止了底板的翘曲和半导体基片上裂纹的产生， 提高器件稳定性。 • 在大型蓄电池中的铅电极自重大、刚性差，容易翘曲引起短路，影响电解过 程的正常进行。用碳纤维增强铅的复合材料，既保持原来优良的电化学性能， 又使强度和模量提高，不易翘曲，同时减小蓄电池的体积。
金属基复合材料
现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。
传统的单一材料已经很难满足这种需要。
因此，人们将注意力转向复合材料，复合材料是指由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。
其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征。
作为复合材料重要分支的金属基复合材料（MMCs），发展于20世纪50年代末期或60年代初期。
现代材料方面不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。
金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。
1.金属基复合材料的分类金属基复合材料（Metal matrix Composite，简称MMCs）是以陶瓷（连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）为增强材料，金属（如铝、镁、钛、镍、铁、桐等）为基体材料而制备的。
金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。
前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等)；后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。
根据用途分类：（1）结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。
用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。
（2）功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。
强调具有电、热、磁等功能特性。
（3）智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。
根据复合材料基体可划分为铝基、镁基、钢基、钛基、高温合金基、金属间化合物基及耐热金属基复合材料等。
按按增强体分类划分为颗粒增强金属基复合材料、层状增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料。
2.金属基复合材料的性能特点与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。
金属基复合材料的主要特点
金属基复合材料的主要特点金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）是一种由金属或合金作为基体，与一种或多种其他材料（如陶瓷、石墨、碳纤维等）作为增强相组成的复合材料。
这种材料结合了金属和非金属材料的优点，具有许多独特的性能特点。
以下将详细阐述金属基复合材料的主要特点，包括其力学性能、热稳定性、耐磨性、抗腐蚀性以及设计灵活性等方面。
一、优异的力学性能金属基复合材料最显著的特点之一是其优异的力学性能。
由于金属基体具有良好的韧性和塑性，而增强相则具有高强度和高刚度，因此金属基复合材料在保持金属基体良好塑性的同时，能够显著提高材料的强度和刚度。
这种优异的力学性能使得金属基复合材料在航空航天、汽车、机械等领域具有广泛的应用前景。
二、良好的热稳定性金属基复合材料通常具有良好的热稳定性，能够在高温环境下保持较好的力学性能。
这是因为金属基体本身具有较好的导热性和热膨胀性，而增强相则能够有效地阻碍热裂纹的扩展。
因此，金属基复合材料在高温环境下具有较好的结构稳定性和耐久性，适用于高温工况下的结构件和零部件。
三、出色的耐磨性由于增强相的加入，金属基复合材料的硬度和耐磨性得到了显著提高。
在摩擦过程中，增强相能够有效地承受和分散载荷，减少磨损和剥落。
因此，金属基复合材料在摩擦磨损严重的场合（如轴承、齿轮等）具有广泛的应用前景。
四、优异的抗腐蚀性金属基复合材料中的增强相通常具有较好的化学稳定性，能够有效地提高材料的抗腐蚀性能。
此外，通过合理的成分设计和表面处理，还可以进一步提高金属基复合材料的耐腐蚀性能。
这使得金属基复合材料在化工、海洋等腐蚀环境中具有广阔的应用前景。
五、设计灵活性高金属基复合材料的设计灵活性较高，可以通过调整基体和增强相的成分、含量和分布来实现对材料性能的定制和优化。
例如，通过改变增强相的种类、形状和取向，可以调整材料的强度和刚度；通过调整基体的成分和处理工艺，可以改善材料的塑性和韧性。
金属层状复合材料与金属基复合材料
金属层状复合材料与金属基复合材料一、金属层状复合材料与金属基复合材料的概念与分类1.1 金属层状复合材料的定义与特点金属层状复合材料是由多层金属片通过堆叠、压制或焊接等工艺制备而成的一类复合材料。
其具有以下特点： - 高强度和刚度：由于金属片的堆叠层数多，可以提高材料的强度和刚度。
- 轻质：相比传统的实心金属材料，金属层状复合材料的重量更轻。
- 耐高温：金属层状复合材料通常由高温合金制备，具有良好的高温性能。
- 优异的抗疲劳性能：金属层状复合材料能够承受长时间的重复加载而不容易疲劳破坏。
1.2 金属基复合材料的定义与特点金属基复合材料是以金属为基体，通过添加一定量的非金属相（如陶瓷颗粒、纤维等）形成的复合材料。
其具有以下特点： - 高强度和硬度：添加非金属相后可以显著提高材料的强度和硬度。
- 低密度：相对于普通金属材料，金属基复合材料的密度更低，有利于减轻结构负荷。
- 耐磨损性能：添加的非金属相可以增加金属基复合材料的耐磨损性能。
- 良好的导热性能：金属基复合材料具有良好的导热性能，适用于高温工况。
二、金属层状复合材料的制备方法与应用领域2.1 金属层状复合材料的制备方法2.1.1 堆叠法通过将多层金属片按一定顺序堆叠在一起，并加热至一定温度进行压制，形成金属层状复合材料。
### 2.1.2 焊接法利用金属的焊接工艺将多层金属片进行连接，形成金属层状复合材料。
### 2.1.3 粘结法通过在金属片之间涂布粘结剂，然后将金属片经过压制黏合在一起，形成金属层状复合材料。
2.2 金属层状复合材料的应用领域•航空航天领域：金属层状复合材料具有优异的强度和轻质特性，适用于航空航天结构件的制造，如飞机机身、发动机部件等。
•汽车领域：金属层状复合材料可以用于制造汽车车身结构，降低整车的重量，提高燃油经济性。
•建筑领域：金属层状复合材料的高强度和刚度特性，使其成为建筑结构中的重要材料，如大跨度屋顶、桥梁等。
一张图看懂金属基复合材料
金属基复合材料的特点
高比强度、 比模量 良好的导热、
... 导电性能
不吸潮、不老 化、气密性好
热膨胀系数小、 尺寸稳定性好
良好的断裂韧性 和抗疲劳性能
机械结合
浸润与溶解结合 化学反应结合
主要依靠增强剂的粗 糙表面的机械“锚固”
力结合。
如相互溶解严重，也 可能发生溶解后析出 现象，严重损伤增强 剂，降低复合材料的
性能。
大多数金属基复合 材料的基体与增强 相之间的界面处存 在着化学势梯度。 只要存在着有利的 动力学条件，就可 能发生相互扩散和
化学反应。
0190 全球金属基复合材料的产量分析
2015年全球金属基复合材料的产量为 6,673.8吨，预计2020年金属基复合材料的 产量为8,859.1吨。年复增长率为5.8%。
全球金属基复合材料产量分析/吨
4,500.00 4,000.00 3,500.00 3,000.00 2,500.00 2,000.00 1,500.00 1,000.00
金属基复合材料分类
增强体
颗粒增强金属基 复合材料
短纤维、晶须增强金 属基复合材料
长纤维强金属基复合 材料
层状复合材料
...
基体
铝基复合材料 铜基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 镍基复合材料
...
结构复 合材料
功能复 合材料
金属复合材 料
来源：金属基复合材料-赵玉涛-2007，机械工业出版社
金属基复合材料的制备工艺主要有四大类： （1）固态法：(2) 液态法： (3) 喷射与喷 涂沉积法； (4) 原位复合法。
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金属基复合材料的种类与性能
摘要：金属基复合材料科学是一门相对较新的材料科学，仅有40余年的发展历史。
金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关，特备是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具有优良的综合性能，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。
单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速增长的性能要求。
金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。
关键词：金属；金属基复合材料；种类；性能特征；用途
1. 金属基复合材料的分类
按增强体类型分
1.1.1颗粒增强复合材料
颗粒增强复合材料是指弥散的增强相以颗粒的形式存在，其颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1μm。
1.1.2层状复合材料
这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基材料中含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。
片曾的间距是微观的，所以在正常比例下，材料按其结构组元看，可以认为是各向异性的和均匀的。
层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。
因为增强物薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。
由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。
然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。
1.1.3纤维增强复合材料
金属基复合材料中的一维增强体根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须。
长纤维又叫连续纤维，它对金属基体的增强方式可以以单项纤维、二维织物和三维织物存在，前者增强的复合材料表现出明显的各向异性特征，第二种材料在织物平面方向的力学性能与垂直该平面的方向不同，而后者的性能基本是个向同性的。
连续纤维增强金属基复合材料是指以高性能的纤维为增强体，金属或他们的合金为基体制成的复合材料。
纤维是承受载荷的，纤维的加入不但大大改变了材料的力学性能，而且也提高了耐温性能。
短纤维和晶须是比较随机均匀地分散在金属基体中，因而其性能在宏观上是各向同性的；在特殊条件下，短纤维也可以定向排列，如对材料进行二次加工（挤压）就可达到。
当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。
按基体类型分
主要有铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。
目前以铝基、镁基、钛基、镍基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。
在这里主要介绍这几种材料
1.2.1铝基复合材料
这是在金属基复合材料中应用最广的一种。
由于铝合金基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利条件。
再制造铝基复合材料时通常并不是使用纯铝而是铝合金。
这主要是由于铝合金具有更好的综合性能。
1.2.2镍基复合材料
这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。
由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制作高温下工作的零部件。
人们研制镍基复合材料的一个重要目的是希望用它来制造燃气轮机的叶片，从而进一步提高燃气轮机的工作温度。
但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。
1.2.3钛基复合材料
钛比任何其他的结构材料具有更高的比强度。
此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。
因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性。
随着速度进一步的加快，还需要改变飞机的结构设计，采用更细长的机翼和其他翼型，为此需要高刚度的材料。
而纤维增强钛恰好可以满足这种对材料刚度的要求。
钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近。
1.2.4镁基复合材料
以陶瓷颗粒、纤维或晶须作为增强体，可制成镁基复合材料，集超轻、高比刚度、高比强度于一身，该类材料比铝基复合材料更轻，具有更高的比强度和比刚度，将使航空航天方面的优选材料。
按用途分
1.3.1结构复合材料
主要用作承力结构，它基本上有增强体和基体组成，它具有高比强度、高比模量、尺寸稳定、耐热等特点。
用于制造各种航天、航空、电子、汽车、先进武器系统等高性能构建。
1.3.2功能复合材料
是指除力学性能外还有其他物理性能的复合材料，这些性能包括电、磁、热、声、力学（指阻尼、摩擦）等。
该材料用于电子、仪器、汽车、航天、航空、武器等。
2.金属基复合材料的性能特征
金属基复合材料的增强体主要有纤维、晶须和颗粒，这些增强体主要是无机物（陶瓷）和金属。
无机纤维主要有碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维等。
金属纤维主要有铍、钢、不锈钢和钨纤维等。
用于增强金属复合材料的颗粒主要是无机非金属颗粒，主要包括石墨、碳化硅、氧化铝、碳化硅、碳化钛、碳化硼等。
金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等。
通过优化组合可以既具有金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综合性能。
其主要性能有以下几点：
1.高比强度、比模量
2.导热、导电性能好
3.热膨胀系数小、尺寸稳定性好
4.良好的高温性能
5.良好的耐磨性
6.良好的断裂韧性和抗疲劳性能
7.不吸潮、不老化、气密性好
3.结束语
总之，金属基复合材料具有高比强度、比模量，良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能，较低的热膨胀系数，高的尺寸稳定性等优点，它在航天、航空、电子、汽车、轮船、先进武器等方面均具有广泛的应用前景。