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

 

    新一代电子封装材料的研发主要以高热导率的碳纳米管。金刚石。高定向热解石墨作为增强相，可忘获得高导热、低膨胀、低密度的理想电子封装材料。

 

    07 金属基复合材料的设计思路

 

    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。

 

    09 金属基复合材料制造的关键性技术

 

 

    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

 

 

    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

 

    其他领域

 

    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。

 

    17 生产商

 

 

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责任编辑：王元

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