金属基复合材料
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
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。
金属基复合材料的制备方法
金属基复合材料的制备方法
金属基复合材料是由两个或多个成分组成的材料，其中金属是主要组成部分，而其他成分通常是陶瓷、化学物质或其他金属。
这种复合材料具有良好的力学性能、高温抗性和耐腐蚀性能，可以被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑等多个领域。
制备金属基复合材料的方法有很多种，下面我们将介绍其中几种：
1.混凝土铸造法
混凝土铸造法是一种简单的制备方法。
首先，选择需要混合的金属和非金属材料，并将它们进行粉碎，然后将粉末混合在一起。
接下来，在混合后的粉末中添加一定量的液相，使其形成可铸造的浆状物。
最后，将浆状物铸入模具中，进行加热和固化，制得所需的金属基复合材料。
2.电弧熔融法
电弧熔融法是一种在高温下将金属和非金属材料融合在一起的制备方法。
首先，在一个熔炉中加入所需的金属和非金属材料，然后通过电弧的作用进行熔化。
在熔融状态下，通过搅拌和浇铸等操作，将金属和非金属材料均匀地混合在一起。
最后，将熔融的金属基复合材料流入模具中，进行冷却和固化，最终得到所需的复合材料。
3.机械合金化法
机械合金化法是通过高能球磨器将金属和非金属粉末进行混合，再在高温下进行烧结，从而制备金属基复合材料的方法。
球磨过程中，金属和非金属粉末不断地被重复压缩和剪切，从而形成了一个均匀的混合。
在烧结过程中，粉末经过高温加热，原子之间将相互扩散和融合，最终形成金属基复合材料。
总之，金属基复合材料的制备方法多种多样，需要根据不同的材料和应用领域选择合适的方法。
未来随着科技的不断发展，金属基复合材料的制备方法也将不断地发展和完善，为各个领域提供更加优质的材料。
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。
金属基复合材料(MMC)
2．粉末冶金
适用于连续、长纤维 增强．也可用于短纤 维、颗粒或晶须增强 的金属基复合材料
长纤维增强：将纤维和 金属粉末按比例混合，密 封在容器中，然后进行热 等静压
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其它增强相
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粉末冶金的优点
工艺过程温度低，可以控制界面反应
增强材料(纤维、颗粒或晶须)与基体金属粉末 可以任何比例混合，纤维含量最高可达75％， 颗粒含量可达50％以上
高温性能优良。合金化后的耐热性显著提高，可以作为
高温结构材料使用，如航空发动机的压气机转子叶片等， 长期使用最高温度已达540℃
在大气和海水中有优异的耐蚀性．在硫酸、盐酸、硝酸 相氢氧化纳等介质中都很稳定
导电与导热性差.导热系数只有铜的1／l 7和铝的l／10， 比电阻为铜的25倍
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对浸润性和密度差的要求较小
采用热等静压工艺时，其组织细化、细密、均 匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使空 隙和其它内部缺陷得到明显改善，从而提高复 合材料的性能
可以用传统的加工方法进行二次加工
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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
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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。
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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
金属基复合材料 书籍
金属基复合材料书籍金属基复合材料是一种由金属基体和另一种或多种增强剂混合制成的新型材料。
该类材料具有较高的强度和耐磨性、良好的耐高温性能等特点，广泛应用于航空、航天、汽车、机械等领域。
如今，关于金属基复合材料的研究和应用越来越广泛，相关的技术和理论也越来越成熟。
因此，有必要推荐几本经典的金属基复合材料书籍，以便读者深入学习和探究这一领域。
首先推荐的是《金属基复合材料》（Metal Matrix Composites）一书，该书由美国化学会出版社出版，作者为L.J. Krajewski等人。
该书首次在1993年出版，该书包含了关于金属基复合材料的基本概念、组成、制备方法、性能特点等方面的详细内容，不仅覆盖了理论方面，还结合了实际应用领域的案例，具有较强的实用性和可读性。
其次推荐的是《金属基复合材料：制备、微观结构和力学行为》（Metal Matrix Composites: Processing, Microstructure and Properties），该书由英国材料研究学会出版，作者为M.G. Gee等人。
该书详细介绍了金属基复合材料的结构组成、制备过程、微观结构及相关机械特性等方面的知识，对于学习金属基复合材料的读者来说，该书是一本不可多得的权威参考资料。
最后推荐的是《金属基复合材料：材料科学、制备技术和应用》（Metal Matrix Composites: Materials Science, Manufacturing Techniques, and Applications），该书由CRC出版，作者为K. U. Kainer等人。
该书系统地介绍了金属基复合材料的制备工艺和应用前景，特别是替代传统材料、改进机械性能和提高可靠性等方面的优势，给读者提供了全面的知识体系以及未来的发展方向。
以上是我对金属基复合材料书籍的推荐，希望对学习金属基复合材料的读者有所帮助。
对于初学者来说，选择一本适合自己的书籍，系统地学习金属基复合材料的相关知识是很有必要的。
金属基复合材料
包括：物理气相沉积法、化学气相沉积法、热喷涂法、 化学镀和电镀法、复合镀法等。
一、固态制备技术
1.1粉末冶金技术 粉末冶金法是一种用于制备与成形颗粒增强(非连续
增强型)金属基复合材料的传统固态工艺法。
工艺过程：
粉末冶金生产工艺
1.2热压技术
扩散黏结：在较长时间、较高温度和压力下，通过固态焊接 工艺，使同类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起的 工艺方法。
常用的热喷涂的主要方法如下：
1)火焰喷涂 2)电弧喷涂 3)等离子喷涂(气体导电（或放电）所产生的等离
子电弧作为高温热源 )
讲完了~
性、良好的抗粘着能力和优越的耐蚀性。
化学气相沉积的装置如图,以在钢件表面沉积TiC涂层为 例，将反应气体TiCl4与气态或蒸发状态的碳氢化合物一 起导入真空、高温的反应室内，用氢作为载体和稀释剂， 就会发生化学反应生成TiC沉积在基体表面。
3.3热喷涂技术
指以某种热源，将基体材料加热到熔化或熔融状态后， 用高压高速气流将其雾化成细小的颗粒喷射到增强材料上， 形成一层覆盖层的过程。
三阶段： ➢粘结表面之间最初接触 ➢增强材料与合金粉末发生界面扩散和体扩散→接触面 粘结 ➢结合界面最终消失，粘结过程完成
热压技术：
1.3热轧、热挤压和热拉拔技术（变形法）
形变法就是利用金属具
轧制
有塑性成型的工艺特点，
通过热轧、热拉、热挤压
等加工手段，使已复合好
的颗粒、晶须、短纤维增
强金属基复合材料进一步
加工成板材。
挤压 拉拔
1.4爆炸焊接技术
二、液态制备技术
2.1真空压力浸渍技术 真空压力浸渍法是在真
空和高压惰性气体的共同 作用下，使熔融金属浸渗 入预制件中制造金属基复 合材料的方法。
金属基复合材料
03
主要性能 特点
线膨胀系数小，尺寸稳定性好 04 良好的抗疲劳性能和断裂韧性
增强物在金属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性可以有效地传 递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高了材料的断裂韧性。
05
二次加工性能较好
目前成熟的各种金属材料加工工艺及设备，可有效 实现金属基复合材料的二次加工
Part 2
制造方法 喷涂与喷射沉积法
原位复合法
03
此法主要由金属材料表面强 化技术衍生而来
04
包括：物理气相沉积法、化 学气相沉积法、热喷涂法、 化学镀和电镀法、复合镀法 等。
Part 4
发展前景
优劣势分析
现代科学技术的发展对材料的要求日益提高,使普通的单一材 料越来越难以满足客观形势的需要。复合材料将多种材料的优 点集于一身,扬长避短,兼有高强度、高模量和轻比重等一系列 优点。它的工作温度高,层间剪切强度高,并具有导电导热、耐 磨损、不吸湿不放气、尺寸稳定、不老化等一系列金属属性, 是一种优良的结构材料
主要性能特点
主要类别
制造方法
发展展望
Part 1
主要性能特点
高比强度、高比模量 01 由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等
增强物，明显提高了复合材料的比强度和比模量，特别是高性能连续纤维。
02
导热性能好，使用温度范围大
金属基复合材料中的金属基体占有很高的体积分数，一般在60%以上，因此仍保 持金属所特有的良好的导热性和导电性。增强纤维、晶须、颗粒住高温下又都具 有很高的高温强度和模量
金属基复合材料
Metal Matrix Composite
第二组
主讲人：黄妃
简介 Introduction
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4、应用
➢ MMCs在陆上运输领域的应用
MMCs进入汽车行业的动力是它耐磨性和耐热性高、重 量轻的优点，因此MMCs主要用于需要减轻重量的刹车系统 和发动机系统。
碳化硅和氧化铝加强MMCs 制造的刹车转子重量仅为一 般材料的33 %～60 %，同时， 这种刹车转子具有卓越的耐 磨性，其使用期限甚至可以 与车本身的寿命一样长。
AlSiC微处理器盖板(a), AlSiC光电封装基座(b)
4、应用
➢ MMCs在航空航天领域的应用
MMCs最初发展的原动力来自于航空工业领域。
目前已用于军机和民机的MMCs主要是铝基和钛基复合 材料。NASA和DOD均在投资开发钛基复合材料(TMC)喷气涡 轮发动机。
MMCs 也用在航天飞机和火箭上。NASA采用硼连续纤 维增强的MMCs制成管材, 用作航天飞机的结构桁条, 性能 十分优越。
MMC的发展和应用
目录
MMC概述 MMC的性能特点
MMC的发展
MMC的应用
1、概述
1、金属基复合材料
金属基复合材料（Metal Matrix Composite，简称 MMC）是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非 金属增强相人工结合而成的复合材料。
其增强体大多为 无机非金属，如 陶瓷、炭、石墨 及硼，也可以用 金属丝。
➢ 涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材料的不断需求， 触发了对金属基复合材科特别是钛基材料的广泛兴趣的复 苏。
➢ 近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。
4、应用
据预测, 2013年以前全球MMCs市场将保持5.9%的 年增长率。根据应用领域不同, MMCs市场可细分为陆上 运输、电子/热控、航空航天、工业、消费产品等5个部 分。其中, 陆上运输(包括汽车和轨道车辆)和高附加值 散热组件仍然是MMCs的主市场, 用量占比分别超过60% 和30%。
汽车刹车鼓和刹车碟(a), 火车转向架及刹车盘(b)
4、应用
➢ MMCs在电子/热控领域的应用
以铝碳化硅(AlSiC)MMCs为代表的第二代热管理材料 ，密度仅为Cu-W和Cu-Mo的1 /5，可提供高热导率及可调 的低热膨胀系数(CTE)，为电子封装提供了高度可靠且成 本经济的热管理解决方案。
如果以产值排序，高产品附 加值的电子/热控领域是第一 大MMCs市场，产值比例超 过60%。
3、发展
➢ 1978年B/Al复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用；
航天飞机内 MMC (Al / B
纤维)桁架
3、发展
➢ 20世纪80年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重颗粒 、 晶须和短纤维增强金属基复合材料，在汽车、体育用 品等领域得到应用；
➢ 90年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高强度 和高导热性的金属基复合材料在电子产品得到应用；
1、Байду номын сангаас述
3、分类
铝基复合材料 镁基复合材料
基 钛基复合材料 体
镍基复合材料 铜基复合材料
颗粒增强金属基复合材 料
增 短纤维、晶须增强金属 强 基复合材料 体 长纤维增强金属基复合
材料 层状复合材料
2、性能特点
较高的比强度与比钢度，耐磨损 优良的导电、导热性，高温性能好 高韧性和高冲击性能，线膨胀系数小
1、概述
2、背景
金属基复合材料与聚合物复合材料、陶瓷基复合材料 以及碳/碳复合材料一起构成了现代复合材料体系。
金属基复合材料作为一种新型工程材料，具有比基体 金属或合金更高的比强度、比模量、高温性能等性能。作 为结构材料或特殊性能要求的材料，在航空、航天、军事 工业和民用工业中的具有无可替代的作为，并得到了广泛 的应用。
3、发展
➢ 金属基复合材料真正的起步是在20世纪50年代末或60年代 初。
➢ 美国国家航空和宇航局(NASA)成功地制备出W丝增强的Cu 基复合材料，成为金属基复合材料研究和开发的标志性起 点。
➢ 随后，对纤维金属基复合材料的研究在20世纪60年代迅速 发展起来。那时，主要的力量集中在以钨和硼纤维增强的 铝和铜为基的系统。
4、应用
➢ MMCs在其它领域的应用
MMCs的其它应用涵盖制造业、体育休闲及基础建设领 域，既包括硬质合金、电镀及烧结金刚石工具、Cu基及Ag 基电触头材料等成熟市场，也包括TiC增强铁基耐磨材料 、Saffil纤维增强铝基输电线缆、B4C增强铝基中子吸收 材料等新兴市场。
4、应用
低密度、高刚度和高 强度的增强体颗粒加入到 钢铁基体中，在降低材料 密度的同时，提高了它的 弹性模量、硬度、耐磨性 和高温性能。目前应用最 多的是TiC颗粒增强铁基复 合材料，用作抗磨材料和 高温结构材料，性能明显 优于现有的工具钢。
谢谢欣赏 Thanks！
超硬耐磨的TiC增强铁基复合材料
MMCs虽然并不是一种具有划时代意义的新材料，但它 是一种能根据具体需要设计组分、性能的人工复合材料， 一般MMCs均以轻合金为基体，因此具有重量轻、比弹性模 量和比强度高的优点，同时还具有高的疲劳抗力、耐磨抗 力、优良的热稳定性和传热能力，在交通运输机械、高速 机械以及电子、体育器材等领域均有较大的应用潜力，它 对运输业及高速机械工业尤其是汽车业的冲击将是巨大的 ，因此积极开发这种新材料对于促进机械工业的更新换代 、加快工业发展、在国际工业竞争中占据有利地位具有战 略意义。