金属基复合材料
（Metal Matrix Composites, MMCs）
01
概述
金属基复合材料是以第二相为增强材料，金属或合金为基体材料制备而成的复合材料。
02
特点
高比强度、高比模量
导电、导热性能
热膨胀系数小、尺寸稳定好
良好地高温性能
耐磨性好
疲劳性能和断裂韧度好
性能再现性及可加工性好
不吸潮、不老化、气密性好
03
增强体材料
用于金属基复合材料的典型增强体
04
增强体特性
作为金属基复合材料的增强体应具有以下基本特性：
能明显提高金属基某种所需特性的性能
如高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等。
良好地化学稳定性
在金属基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显地变化和退化，与金属基体有良好的化学相容性，不发生严重的界面反应。
与金属有良好地润湿性
通过表面处理能与金属基体良好润湿、复合和分布均匀。
05
增强体基本物性参数
典型颗粒物增强体的物性参数
典型晶须增强体的物性参数
典型纤维增强体的物性参数
06
增强体其他性质
材料热管理性能的比较应用
（CTE-低热膨胀系数）
用于热沉的金属基复合材料的性能
|
代数 |
增强体 |
基体 |
导热系数 |
线膨胀系数 |
密度 |
|
W/mK |
ppm/K |
g/cm3 |
|||
|
第 1 代 |
Cu |
W |
160~190 |
5.7~8.3 |
15~17 |
|
Cu |
Mo |
180~200 |
7.0~7.1 |
9.9~10 |
|
|
第 2 代 |
SiC颗粒 |
Al |
240 |
7~9 |
2.9~3.1 |
|
非连续碳纤维 |
铜 |
xy:300 z:200 |
6.5~9.5 |
6.8 |
|
|
SiC颗粒 |
Cu |
320 |
7.0~10.9 |
6.6 |
|
|
碳泡沫 |
Cu |
350 |
7.4 |
5.7 |
|
|
第 3 代 |
长碳纤维 |
Cu |
xy:400~420 z:200 |
0.5~16 |
5.3~8.2 |
|
石墨薄片 |
Al |
xy:400~600 z:80~110 |
4.5~5.0 |
2.3 |
|
|
金刚石 颗粒 |
Al |
550~600 |
7.0~7.5 |
3.1 |
|
|
金刚石+SiC 颗粒 |
Al |
575 |
5.5 |
- |
|
|
金刚石 颗粒 |
Cu |
600 |
5.8 |
5.9 |
|
|
金刚石 颗粒 |
Al |
400~600 |
5.8 |
5.8 |
|
|
金刚石 颗粒 |
Mg |
550 |
8 |
- |
07
金属基复合材料结构的一体化模拟设计与制造流程
08
金属基体的选择原则
金属基复合材料构（零）件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。
金属基复合材料有连续增强和非连续增强金属基复合材料，由于增强物的性质和增强机制的不同，在基体材料的选择原则上有很大差别。
在连续纤维增强金属基复合材料中基体的主要作用应是以充分发挥增强纤维的性能为主，基体本身应与纤维有良好的相容性和塑性。
对于非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料，基体的强度对非连续增强金属基复合材料具有决定的影响。
在金属基复合材料制备过程中金属基体与增强物在高温复合过程中会发生不同程度的界面反应，基体金属中往住含有不同类型的合金元素，这些合金元素与增强物的反应程度不同，反应后生成的反应产物也不同，需在选用基体合金成分时充分考虑，尽可能选择既有利于金属与增强物浸润复合，又有利于形成合适稳定的界面的合金元素。
金属基材料的选材要求
|
应用 |
要求 |
金属基体 |
|
航天航空 |
高比强度、高比模量、尺寸稳定性 |
Al、Ti |
|
高性能发动机 |
高比强度、高比模量、耐高温性能 |
Ti、Ni、金属间化合物 |
|
汽车发动机 |
耐热、耐磨、导热、高温强度、低成本 |
铝合金 |
|
集成电路 |
高导热、低热膨胀 |
Ag、Cu、Al (石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒) |
|
航天及汽车 零件 |
< 450℃ |
Al合金、Mg合金 |
|
航空发动机 零件 |
450℃~700℃ |
Ti合金 |
|
燃气轮机 发动机叶片 |
>1000℃ |
Fe、Ni、金属间化合物 |
09
金属基复合材料制造的关键性技术
|
关键问题 |
解决办法 |
|
加工温度高 |
尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应时间降低至最低程度； 通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快； 采用扩散粘接法可有效地控制温度并缩短时间 |
|
增强体与基体浸润性差 |
加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的浸润性，常用的合金元素有：钛、锆，铌、铈等； 对增强材料进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的涂层，可有效改善其浸润性，表面涂层涂覆方法较多，如化学气相沉积，物理气相沉积，溶胶－ 凝胶和电镀或化学镀等。 |
|
增强材料在基体中的均匀分布 |
对增强材料进行适当的表面处理，使其浸渍基体速度加快； 加入适当的合金元素改善基体的分散性； 施加适当的压力，使其分散性增大。 |
10
金属基复合材料制备工艺
11
金属基复合材料工艺与选材
|
类别 |
工艺 |
适用体系 |
|
|
增强体 |
基体 |
||
|
固态法 |
粉末冶金法 |
SiC、Al2O3、BC （颗粒、晶须、短纤维） |
Al、Cu、Ti |
|
热压法 |
B、SiC、C（Gr）、W |
Al、Cu、Ti、耐热合金 |
|
|
热等静压 |
B、SiC、W |
Al、Ti、超合金 |
|
|
挤压+拉拔轧制法 |
- |
Al |
|
|
液态法 |
挤压铸造法 |
SiCp、Al2O3、C （颗粒、晶须、短纤维） |
Al、Cu、Zn、Mg |
|
真空压力渗透法 |
纤维、晶须、颗粒 |
Al、Cu、Ti、Mg |
|
|
搅拌法 |
颗粒、短纤维 |
Al、Zn、Mg |
|
|
共沉积法 |
SiCp、Al2O3、TiC、B4C等颗粒 |
Al、Ni、Fe |
|
|
真空铸造法 |
C、Al2O3连续纤维 |
Mg、Al |
|
|
原位复合法 |
反应自生法 |
|
Al、Ti |
|
其他 |
电镀、化学镀 |
SiCp、Al2O3、B4C等颗粒、碳纤维 |
Ni、Cu |
|
喷涂法 |
热喷涂法 |
SiCp、TiC颗粒 |
Ni、Fe |
12
金属基复合材料制备工艺流程
粉末冶金法工艺流程图
成品：SiCp/Al、SiCW/Al、Al2O3/Al、TiB2/Ti等金属基复合材料零部件、板材或锭坯等
热压法工艺流程图
成品：钨丝－超合金、钨丝－铜
热等静压法工艺流程图
成品：B/Al、SiC/Ti 管材
真空压力浸渍技术的工艺流程图
成品C/Al、C/Cu、C/Mg、SiCp/Al、SiCW+SiCp/Al 等复合材料零部件、板材、锭坯等
挤压铸造工艺流程图
成品：SiCp/Al、SiCW/Al、C/Al、C/Mg、Al2O3/Al、SiO2/Al 等复合材料及其零部件、板材和锭坯等。
共喷沉积工艺流程图
可用于铝、铜、镍、钴等有色金属基体，也可用于铁、金属间化合物基体；可加入SiC、Al2O3、TiC、Cr2O3、石墨等多种颗粒；产品可以是圆棒、圆锭、板带、管材等
自蔓延高温合成法工艺流程图
成品：AlB12/Ti、Al2O3-TiAl3/Al等铝基复合材料
放热弥散法法工艺流程图
成品：TiC/A1、TiB2/Al、TiB2/Al-Li 等铝基复合材料
13
金属基复合材料的界面
机械结合：由粗糙的增强物表面及基体的收缩产生的摩擦力完成；
溶解和润湿结合：基体与增强物之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶解；
反应结合：基体与增强物之间发生化学反应，在界面上形成化合物面产生的一种结合形式；
交换反应结合：基体与增强物之间通过扩散发生元素交换的一种结合形式；
混合结合：多种结合方式组合。
14
金属基复合材料的应用
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。
金属基复合材料全球市场
陆上运输领域
对于成本极端计较的汽车市场，唯一能接受的只有铝基MMCs。MMCs主要用于耐热耐磨的发动机和刹车部分（如活塞、缸套、刹车盘和刹车鼓），或用于需要高强度模量运动部件（如驱动轴、连杆）。
在陆上运输领域消耗的MMCs中驱动轴的用量超过50%，汽车和列车刹车件的用量超过30%。
汽车刹车鼓和刹车碟(a)
火车转向架及刹车盘（b）
电子/热控领域
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%。
以SiCp/Al复合材料为代表的第二代热管理材料主要用作微处理器盖板/热沉、倒装焊盖板、微波及光电器件外壳/基座、高功率衬底、IGBT基板、柱状散热鳍片等。其中，无线通讯与雷达系统中的视频与微波器件封装构成其最大的应用领域，其第二大应用领域则是高端微处理器的各种热管理组件。
SiCp/Al 微处理器盖板（a）
SiCp/Al 光电封装基座（b）
航空航天领域
航空航天领域应用最多的是铝基和钛基复合材料。
铝基MMCs应用包括风扇导向叶片、武器挂架、液压系统分路阀箱等，SiC铝基MMCs应用于波导天线、支撑框架及配件、热沉等。
钛基MMCs应用于燃气涡轮发动机的接力器活塞。
F-16的腹鳍采用金属基复合材料
|
序号 |
MMCs材料 |
应用 |
|
1 |
Cu基、Ag基 |
电触头材料 |
|
2 |
TiC增强铁基 |
耐磨材料、高温结构材料 |
|
3 |
Saffil纤维增强铝基 |
输电线缆 |
|
4 |
B4C增强铝基 |
中子吸收材料 |
|
5 |
… |
… |
B4Cp/Al MMCs用于废核燃料贮存
贮存水池（（a），贮存桶（b）
输电线路用金属基复合材料
15
金属基复合材料研究前沿
金属基复合材料的性能不仅取决于基体和增强体的种类和配比，更取决于增强体在基体中的空间配置模式（形状、尺寸、连接形式和对称性）。从中间或介观尺度上人为调控的有序非均匀分布更有利于发挥设计自己有毒，从而进一步发掘MMCs的性能潜力、实现性能指标的最优配置。
多元/多尺度MMCs
通过引入不同种类、不同形态、不同尺度的增强相，利用多远增强体本身物性参数不同，通过相与相、以及相界面与界面之间的耦合作用，呈现出比单一增强相复合条件下更好的优越性能。
微结构韧化MMCs
通过将非连续增强MMCs分化区隔为增强体颗粒富集区（脆性）和一定数量、一定尺寸、不含增强体基体区（韧性），这些纯基体区域作为韧化相将会具有阻止裂纹扩展，吸收能力的作用，从而使MMCs的损伤容限得到提高。
层状MMCs
受自然生物叠层结构达到强、韧最佳配合的启发，韧脆交替的微叠层MMCs研究受到关注。通过微叠层来补偿单层材料内在性能的不足，以满足各种各样的特殊应用需求，如耐高温材料、硬度材料、热障涂层材料等。
泡沫MMCs
多孔金属泡沫具有多孔、减振、阻尼、吸音、散热、吸收热冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能，可通过对其引入粘弹性体、吸波涂料等功能组分达到多功能化的需求。
双连续/互穿网络MMCs
双连续微结构设计可使增强体在基体合金中称为连续的三维骨架结构，可更有效地发挥陶瓷增强体的刚度、低膨胀等特性。
16
标准
目前我们MMCs的相关标准严重缺失，MMCs的标准化工作大大落后于美国、日本等发达国家，也滞后于我国MMCs技术及产业的发展。
|
序号 |
标准号 |
标准名称 |
国家 |
|
1 |
ISO-TTA 2-1997 |
Tensile tests for discontinuously reinforced metal matrix composites ambient temperatures |
ISO |
|
2 |
ASTM B976-2011 |
Standard Specification for Fiber Reinforced Alumium Matrix Composite core wire for Aluminum conductors composite reinforced |
美国 |
|
3 |
ASTM D 3553-96R07 |
Standard Test Method for tensile properties of fiber reinforced metal matrix composites |
美国 |
|
4 |
ASTM D 3552-1996 |
Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber Reinforced Metal Matrix Composites |
美国 |
|
5 |
JIS H7006-1991 |
日本 |
|
|
6 |
JIS H7401-1993 |
日本 |
|
|
7 |
JIS H7407-1995 |
日本 |
|
|
8 |
G/JB 5443-2005 |
高体积分数碳化硅颗粒/铝基复合材料规范 |
中国 |
|
9 |
G/JB 5975-2007 |
碳化硅颗粒增强铸造铝基复合材料规范 |
中国 |
|
10 |
HB 7616-1998 |
纤维增强金属基复合材料层板拉伸性能试验方法 |
中国 |
|
11 |
HB 7617-1998 |
纤维增强金属基复合材料层板弯曲性能试验方法 |
中国 |
|
12 |
GB/T 34558-2017 |
中国 |
|
|
13 |
GB/T 32498-2016 |
中国 |
|
|
14 |
GB/T 32496-2016 |
中国 |
|
|
15 |
GB/T 34556-2017 |
中国 |
|
|
16 |
GB/T 35096-2018 |
中国 |
|
|
17 |
GB/T 30599-2014 |
中国 |
17
生产商
|
国外 |
国内 |
|
GKN集团 |
银邦金属复合材料股份公司 |
|
3M集团 |
翔科新材料有限公司 |
|
Rio Tinto 力拓 |
南南铝业 |
|
CMT复合金属技术公司 |
南京润邦金属复合材料 |
