复合材料概论 王国荣 第五章 金属基复合材料

第五章 金属基复合材料 MMC科学是一门较新的材料科学。它的发 展与航空航天、电子、汽车及先进武器系 统的迅速发展对材料提出日益增高的性能 要求密切相关。 航天装置越来越大，结构的效率变得更为 重要。这就要求采用高比强度、高比模量 的轻质材料。 与传统金属材料相比，MMC具有高比强度、 比刚度；与RMC相比，具有优良的导电性 与导热性；与陶瓷材料性比，又有较高的 韧性和较高的抗冲击性能。

5.1 MMC的种类和基本性能5.1.1 MMC分类1)按基体分类 铝基、镍基、钛基、镁基…… 2)按增强材料分类 颗粒增强、层状MMC、 纤维增强MMC。 3)按用途分类 结构MMC、功能MMC。

5.1.2 MMC的性能特征MMC的性能取决于所选组分的特性、含量、 分布等。通过优化组合可以具有金属特性，又有 较好综合性能的MMC。归纳起来MMC有以下性 能特点： 高比强度、高比模量 导热、导电性能 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 良好的高温性能 耐磨性好 良好的断裂韧性和抗疲劳性能 不吸潮、不老化、气密性好

1)高比强度、高比模量 高强度、高模量、低密度的增强纤维的加入， 使MMC的比强度和比模量成倍地提高。 例如：铝合金的比强度为1.4e6cm、比模量 为2.8e8cm;108

而石墨/铝合金的比强度为3.6e6cm、比模量 达到10.5e8cm。

2)导热、导电性能 良好的导热性可有效传热，减少构件受热 后产生的温度梯度和迅速散热，这对尺寸 的稳定性要求较高的构件和高集成度电子 器件尤为重要。 良好的导电性可防止飞行器构件产生静电 聚集的问题。 MMC中金属基体含量一般>60%(vf),所 以仍保持金属所具有的良好导热和导电性。

3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好 MMC所用增强物如碳纤维、SiC纤维、B纤 维，均具有很小的热膨胀系数，又有很高 的模量，特别是高模量、超高模量石墨纤 维具有负的热膨胀系数。 加入适当含量增强物，并合理设计纤维铺 层可使MMC的热膨胀系数明显下降，甚 至可以实现MMC的零膨胀。

4)良好的高温性能 金属基体的高温性能比聚合物高很多，加 上增强材料主要为无机物，在高温下具有 很高的强度和模量，因此MMC比基体金 属具有更高的高温性能。 例如：石墨/铝复合材料在500℃高温 下，仍具有600MPa的高温强度；而 铝基体在300 ℃强度已下降到100M Pa以下。

5)耐磨性好 高耐磨性材料在汽车、机械工业中具有重 要应用前景。如汽车发动机、刹车盘、活 塞等。MMC中加入了硬度高、耐磨的陶 瓷纤维、晶须、颗粒，具有良好的耐磨性。 例

如：SiC颗粒增强铝基复合材料的耐 磨性比铝高出2倍以上，甚至比铸铁的耐 磨性还好。

6)良好的断裂韧性和抗疲劳性能 MMC的断裂韧性和抗疲劳性能取决于纤

维等增强物与金属基体的界面状态、增强物的分布以及各组分本身的特性。适中的

界面结合强度即可有效地传递荷载，又能阻止裂纹的扩展，提高断裂韧性。

例如：C/Al复合材料的疲劳强度与拉伸强度比约为0.7。

7)不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比，金属性能稳定、组织致密，不会老化、分解、吸潮等，在太空中使用 不会分解出低分子物质污染仪器和环境。

5.2 MMC的制造工艺 MMC种类繁多，多数制造过程是将复合与 成型过程合为一体。 根据基体、增强物的物理、化学、几何形 状的不同，应选不同的制造工艺。 分类：固态法、液态法、自生成法及其他 制备方法。

5.2.1 固态法 工艺流程 ① 将金属粉末或金属箔与增强物(纤维、晶 须、颗粒)按设计要求以一定的含量、分 布、排布在一起； ② 加热、加压扩散粘接：将金属与增强物复 合在一起，形成MMC。 特点： 整个工艺过程处于较低的温度，金属和增 强物都处于固态；界面反应不严重。 类型：粉末冶金法、热压法、热等静压法、 轧制法、拉拔法。

5.2.2 液态金属法 方法：金属基体处于熔融状态下与固体增 强物复合成材料的方法。工艺过程：液态 金属浸渍 挤压铸造成型。

特点：制备温度高，易发生严重的界面反 应，有效控制界面反应是液态法的关键。 工艺类型：挤压铸造法、真空吸铸、液态 金属浸渍法、真空压力浸渍法，搅拌复合 法。

5.2.3 自生成法及其他制备法 自生成法：在金属内部通过加入反应物质 或通入反应气体在液态金属内部反应，产 生微小的固态相，如TiC、TiB2、Al2O3等 微粒起增强作用。通过控制工艺参数获得 所需的增强物含量和分布。 复合涂镀法：将增强物悬浮于镀液中，通 过电镀或化学镀将金属与颗粒同时沉积在 基板或零件表面，形成复合材料层。 等离子、热喷镀法：将金属与增强物同时 喷镀到底板上形成复合材料。

表5-1 MMC主要制作方法及适用范围

5.3 铝基复合材料航空航天工业中需要大型的、质量轻的 结构材料，尤其是需要比强度、比模量高 的材料。铝基MMC具备了比强度、比模量 高的特性，已被广泛地应用于航空航天制 品中。铝基MMC主要有： 颗粒(晶须)增强铝基复合材料 纤维增强铝基复合材料