复合材料概论第6章--金属基复合材料解析

基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥金属基体 和增强体性能特点，获得预期的优异综合性能，满足使用 要求十分重要。
① 金属基复合材料的使用要求
金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体 材料最重要的依据。
❖ 航天、航空领域：高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重
要的性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合 金—镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤 维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。
1、定义
金属基复合材料
（Metal Matrix Composites，简称MMCs）
以金属或合金为基体，以高性能的纤维、晶须、晶片和 颗粒为增强体，通过适当的复合工艺而制成的复合材料。
按照所用的基体金属的不同，使用温度范围为350~1200℃，其特 点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好， 同时还仅有导电、导热、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不 老化和无污染等优点。
❖ 单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠 优化设计和先进制造技术将金属与增强体做成复合材料 来满足需求。
• 用于电子封装的金属基复合材料有：高碳化硅颗粒含量
的铝基、铜基复合材料，高模、超高模石墨纤维增强铝 基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强 铝基、铜基复合材料，硼/铝基复合材料等，其基体主要 是纯铝和纯铜。
度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金作基 体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。如碳 化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料可制作发动机活 塞、缸套等零件。
❖ 电子工业：集成电路基板和元件需要高导热、低 膨胀、具有一定耐热性的金属基复合材料。
选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热 膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低 热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合 材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。
② 金属基复合材料组成特点
金属基复合材料组成特点取决于增强体的形态、不 同的受力特点等，应根据不同的组成特点来选择金属 基体。
❖ 连续纤维增强金属基复合材料：
纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体 的强度和模量远远低于纤维。基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维 的性能为主，基体本身应有良好的塑性，与纤维应有良好的相容性，而 并不要求基体本身有很高的强度。
2、分类
Байду номын сангаас
金属基复合材料的分类
增强体
基体
长纤维增强复合材料 Al基复合材料
短纤维(晶须)增强复合 材料
颗粒增强复合材料
层状复合材料
Mg基复合材料 Ti基复合材料 Cu基复合材料 Ni基复合材料
金属间化合物基 复合材料
特性
结构复合材料 功能复合材料
按增强体类型分类
二、金属基体
金属基体具有很多优良性能：
• 用于耐磨零部件的金属基复合材料有：碳化硅、氧化铝、
石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金 属及其合金的金属基复合材料。
③ 用于1000℃以上的高温复合材料的金属基体
基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍 基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。
3、功能复合材料的基体
❖ 要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有 高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧 烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。
2、结构复合材料的基体
结构复合材料的基体分为轻金属基体和耐热合金基体
① 用于450℃以下的轻金属基体
目前最广泛、最成熟的铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人 造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等 。
② 用于450~700℃的复合材料的金属基体
钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450～ 700℃使用，用于航空发动机等零部件。
如在Cf/Al基复合材料中，纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基 体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。 这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关。
❖ 非连续增强体（颗粒、晶须、短纤维）金属基复 合材料
基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定 性的影响，因此要获得高性能金属基复合材料，必须选 用高强度金属或合金作为基体，这与连续纤维增强金属 基复合材料中基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复 合材料一般选用高强度铝合金（如A365，6061， 7075）为基体。
❖ 火箭、飞机高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强
度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中 正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合 金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金 复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。
❖ 汽车发动机：要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强
• 使用性能——反映金属材料在使用过程中所表现出
来的性能，包括力学性能、物理及化学性能。
• 工艺性能——反映金属在加工制造过程中表现出来
的性能，包括铸造、压力加工、焊接、切削加工和热 处理等性能。
这些性能与金属的成分、组织和结构密切相关。
1、选择金属基体的原则
目前用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合 金、钛合金、镍合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、 镍铝金属间化合物等。
第六章 金属基复合材料
（Metallic Matrix Composites）
主要内容
一、基本概念和分类 二、金属基体 三、金属基复合材料的性能特征 四、金属基复合材料的界面及优化 五、金属基复合材料的制备工艺 六、铝基复合材料 七、镁基复合材料 八、钛基复合材料 九、镍基复合材料
一、基本概念和分类
③ 基体金属与增强体的相容性
❖ 由于复合材料中包含基体和增强体，要使组分间具有 良好的配合，则这两相之间必须具有良好的物理相容 性（浸润性、热匹配）和化学相容性（形成合适的、 稳定的界面，避免有害的化学反应）。
❖ 具体措施： 对增强体进行表面处理 在金属基体中添加其他合金元素 选择适宜的成型方法 缩短材料在高温下的停留时间等。