金属基复合材料具有高的比强度、比模量、耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的物理性能和力学性能，克服了树脂基复合材料在宇航领域中使用时存在的缺点，得到了令人瞩目的发展，成为各国高新技术研究开发的重要领域。除力学性能优异外，还具有某些特殊性能和良好的综合性能，应用范围广。此外，金属基复合材料品种繁多，有各种分类方式，以下从基体、增强体以及用途三方面进行分类。

金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合，不仅可以获得基体金属或合金具备的良好的导热、导电性能，抗苛刻环境能力，抗冲击、抗疲劳性能和断裂性能，还可以具有高强度、高刚度，出色的耐磨性能和更低的热膨胀系数(CTE)。

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、颗粒等增强体，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-硼纤维、碳（石墨）纤维、碳化硅纤维等增强物，具有很高的强度和模量。密度只有1.85g/cm³的碳纤维的最高强度可达到7000MPa；硼纤维密度为2.4-2.6g/cm³，强度为2300-8000MPa，模量为350-450GPa。碳化硅纤维密度为2.5-3.4g/cm³，强度为3000-4500MPa，模量为350-450GPa。图1所示为典型的金属基复合材料与基体合金性能的比较。用高比强度、高比模量复合材料制成的构件质量轻、刚性好、强度高，是航天、航空技术领域中理想的结构材料。

图1 典型金属基复合材料与基体合金性能的比较

图2 不同材料的比强度随温度的变化趋势

金属基复合材料中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导热和导电性，减小构件受热后产生的温度梯度和迅速散热。在金属基复合材料中采用高导热性的增强体还可以进一步提高金属基复合材料的热导率，使复合材料的热导率比纯金属基体还高。

金属基复合材料中所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等既具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热膨胀系数。加入相当含量的增强体不仅大幅度提高材料的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降并可通过调整增强体的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种工况要求。图3所示为一些典型金属基复合材料和金属材料的尺寸稳定性和比模量。可见，石墨／镁复合材料具有最高的尺寸稳定性和最高的比模量。

图3 几种典型材料的尺寸稳定性和比模量

由于金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量。因此金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能，特别是连续纤维增强金属基复合材料。因此金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度提高发动机的性能和效率。总之，金属基复合材料做成的零构件比金属材料、聚合物基复合材料零件能在更高的温度条件下使用。

金属基复合材料，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强的金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因为在基体金属中加入了大量的陶瓷增强体，特别是细小的陶瓷颗粒所致。陶瓷材料硬度高、耐磨、化学性质稳定，用它们来增强金属不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。图4是碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐磨性与基体材料和铸铁耐磨性的比较，可见SiC_p/Al复合材料的耐磨性比铸铁还好，比基体金属高出几倍。

图4 SiC_p/Al复合材料与铸铁、基体金属耐磨性比较

金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧度取决于纤维等增强体与金属基体的界面结合状态，增强体在金属基体中的分布以及金属、增强体本身的特性，特别是界面状态。最佳的界面结合状态既可有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高材料的断裂韧度。据美国宇航公司报道C/Al复合材料的疲劳强度与抗拉强度比为0.7左右。

与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，这比聚合物基复合材料优越，在空间使用也不会分解出低分子物质污染仪器和环境，有明显的优越性。

MMCs成形方式多，变形特性优越，可有效借助目前成熟的各种金属材料加工工艺及设备实现金属及复合材料二次加工。

碳化硅／铝 （sic／AI） 复合材料是以铝或铝合金为基体，以碳化硅颗粒或晶须为增强相的一种复合材料，具有忧异的物理和力学性能，如高比强度、高比模量、低膨胀系数、耐磨、耐高温、良好的热稳定性和阻尼性能等。其制备工艺简单、成本低，适于批量生产，且可用常规金属加工方法，如铸造、挤压、轧制、锻造、焊接等制造各种形状的零件和型材，因而成为金属基复合材料发展的主要方向，也是目前应用最广、发展最快、价格最低、能最早实现大规模生产的一种金属基复合材料。

按照碳化硅增强体的形态不同， 碳化硅／铝基复合材料 分为碳化硅晶须（SiCw）和碳化硅颗粒（SiCp）增强铝基复合材料。

SiCw：价格较高，但其增强铝基复合材料的强度和韧性比较好；主要制备方法有粉末冶金法和挤压铸造法；

SiCp：不规则形状的近球形尖角颗粒，价格低，用其增强的铝基复合材料弹性模量和耐磨性都很高，但强度和塑性偏低；主要制备工艺可采用粉末冶金、搅拌铸造、无压浸渗、喷射共沉积、原位自生等多种方法。

图5 a）SiCw晶须扫描电镜照片；b）SiCp扫描电镜照片

国际上围绕影响复合质量的SiC增强体与AI合金基体之间界面结合、颗粒分布均匀性及组织与缺陷的控制等关键共性问题开展了大量系统的复合制备技术专门研究，形成了以制备高性 能碳化硅／铝复合材料的粉末冶金法、低成本的搅拌铸造法、高体积分数复合材料的浸渗法为代表的性能可控、强化作用显著的复合制备方法，并在工业上根据使用需求得到了不同程度的应用。表1给出了与制备方法相应的材料的性能特点及应用场合，表2总结了国外不同公司制备的复合材料的性能。

表1 四种主要 SiC／Al复合材料工程化制备技术的特点与应用情况

表2 国外SiCp／AI复合材料性能

国内以SiCp／AI复合材料体系为主，围绕界面与组织控制、颗粒分布均匀性等关键问题，开发了粉末冶金、搅拌铸造、压 力浸渗和无压浸渗等制备方法，制备的复合材料性能达到了国际先进水平。其中，采用粉末冶金技术制备的高强高韧SiCp增强铝基复合材料显著的综合性能优势使其成为替代铝合金、 钛合金及树脂基复合材料，满足航空航天飞行器、微电子器件轻量化、高性能化需求的关键材料。表3为北京有色金属研究总院采用粉末冶金工艺制备的15％～70％ SiCp／AI复合材料的性能，部分材料的微观组织如图6所示。

表3 国产 SiCp／AI复合材料的性能

图6 粉末冶金工艺制备的SiCp／AI复合材料的组织

SIC／Al复合材料相比于其他金属材料，具有低的密度、高的比强度和比刚度、优异的热导率和低的热膨胀系数，使其在航天飞行器的减重和高性能化方面具有显著的竞争优势。研究表明，复合材料的可设计性，可以使 SiC／Al基复合材料的比刚度（35～40 GPa／（g·cm-3））远高于包括铝合金、钛合金、镁合金、镍基高温合金及钢等传统结构材料（这些材料的比刚度为 （25～32 GPa／（g·cm-3）），介于纤维树脂基复合材料纵向与横向性能之间，所以，高性能 SiC／Al复合材料是实现先进航天飞行器轻量化的理想材料。

图7 铝基复合材料与其他材料的性能对比

表4列出了具有代表性的 SiC／Al复合材料与常规材料的性能对比。

要实现 SiC／Al复合材料在特定场合的应用，需要对复合材料坯锭进行二次塑性加工，才能获得要求规格尺寸和外形的典型航天器构件，由于15％-25％SiCp复合材料具有较高的韧塑性，可以通过锻造、挤压、轧制、旋压等二次加工获得复合材料构件。在塑性加工时，为了获得具有优异组织性能的构件，除了需要控制好塑性加工工艺参数外，还需要选用合理的工装模具。

表5 不同SiC颗粒含量增强AI基复合材料的延伸率和断裂韧性

硅颗粒增强铝基复合材料是20世纪材料技术创新研发的高性能金属基复合材料。80年代由于军事应用的需求，该项材料技术研究在美国、欧洲、日本及俄罗斯等国家得到了快速发展。Si／Al封装材料优异的综合性能是依靠在传统Al-Si合金基础上大幅度提高 Si含量实现的，如 T / R 组件壳体的Si含量要达到 50%的水平 

Si/Al复合材料的制备技术主要有三种 :粉末注射成形技术、喷射成形技术和粉末冶金技术。

1)粉末注射成形技术

工艺过程：Si粉末和 Al粉末混合均匀与一定比例的胶黏剂混炼，然后注射成形、形成壳体形状，随后进行低温脱脂烧结，再进行高温无压烧结致密化，获得壳体毛坯件 。

优点：制备效率高、成本低 ，日产几千到上万件中小尺寸零件毛坯件 。

缺点：高温无压烧结很难消除内部孔隙 ，材料制备过程添加的胶黏剂会在材料中残留碳和有机物，在 产品应用中材料内部会出现放气现象，只能用于力学性能要求较低、没有气密性要求的小尺寸零件 。

2）喷射成形技术

工艺过程：首先熔炼AI-Si合金，然后将合金熔体通过非限制式喷嘴，利用高速氮气流击碎并冷却熔融的金属液流，在雾化粉末还没有完全凝固时，将其沉积在旋转下拉的接收基板上，获得形状比较规则、相对致密度在95 %左右的沉积坯锭。随后，机加工去除头尾和表面疏松层，进行热等静压致密化处理，获得成品坯锭。

优点：流程短 、效率高

缺点：材料内部存在无法消除的气孔和疏松缺陷，严重影响坯锭质量一致性及制品性能可靠性 ;材料成分难以准确控制，性能偏差大 ，一致性不好 ;不能制备大规格坯锭。

3）粉末冶金技术

工艺过程：Si粉末和 Al粉末混合、冷等静压成形、加热除气、热等静压致密化获得成品坯锭，机加工制成相关零件制品。

优点：材料完全致密、无气孔、气密性高，材料成分配方精准 (成分偏差小于士1%)，性能质量一致性好，成品率高，相应制品的可靠性好 ，可用于各类T/R组件及各种功率器件封装壳体。

缺点：粉末冶金工艺流程长，容易带入夹杂物，工艺控制要求较高。

硅颗粒增强铝基复合材料以Si颗粒作为增强体，与 SiC颗粒相比，其硬度和强度都低一半以上，直接强化作用并不显著，Si/Al复合材料作为承力件使用并没有优势。多数情况下 ，Si颗粒充当功能体的角色，起到降低热膨胀系数、提高热导率和弹性模量的作用，并且 Si颗粒硬度较低，易于机加工，适于进行仪表级精密加工;材料还具备良好的表面涂覆工艺性、激光焊接工艺性。

Si/AI复合材料应用于航天功能结构件时，不仅要求低膨胀和高导热，还要求材料具有较高的强度和适当的韧性，通过添加 Cu、Mg等合金元素可以获得较为明显的强化效果， 复合材料的强度可提高 20 % ~ 50 %以上，通过精细控制Si颗粒的形态可以进一步改善韧性。功能结构件用 Si/Al复合材料的典型性能见表6.

采用粉末冶金技术生产的Si/Al复合材料的性能全面达到国外 CE合金的性能水平，其中，材料的强度甚至超过了CE合金。Si/Al复合材料不仅具备优异的力学、热学综合性能，还具 有 良 好 的 机 加 工 工 艺 性 、 镀 涂 工 艺 性 和 较 高 的 激 光 焊 接 气 密 性 。

表7 电子封装用Si/Al复合材料的典型性能

相比于Diamond／Cu复合材料，Diamond／AI复合材料的研究和应用工作均开展较少。复合材料性能研究方面，早期研究的 Diamond／AI复合材料热导率并未像想象中的高，甚至得到了比铝合金还低的热导率，其主要原因在于金刚石颗粒与铝基体之间传热较差。后续经过工艺的改进，Diamond／AI 复合材料的热学性能有了很大提，美国 MaterialsandElectrochemicalResearch公司开发的 Diamond／AI复合材料，铝合金里中添加了70 ％的工业级金刚石颗粒 ，热导率大约达到了 60 W／（m ·K）的水平；日本有报道采用放电等离子体烧结方法制备掺杂Si的Diamond／AI复合材料 ，致密度为99％，热导率达到了552w／（m·K）。国内对AI／Diamond的研究仍处于起步阶段，如北京科技大学采用放电等离子体快速烧结制备 Diamond／AI 复合材料，热导率仅为 325W／（m ·K）；西北工业大学采用真空蒸发法在金刚石表面镀钛，并用铝与 50 ％的镀钛金刚石进行气压熔渗制备出复合材料，热膨胀系数为 5.07 X10-6K-1，符合电子封装需要。

Diamond／Al复合材料的密度较 Diamond／Cu复合材料的进一步降低，而其热导率最高可达 50 W／（m·K）；此外，Diamond／AI的高弹性模量有助于减小热变形，提高封装器件的密封性能。因此，Diamond／AI复合材料有望在航天微电子领域实现更广泛的应用。

表10 奥地利PLANSEE公司生产的Diamond／AI复合材料产品

由于金刚石原材料的品种较多，其性能品质、成本存在较大差别，如何优选出既可有效强化铝合金性能，同时又能控制材料制备成本的金刚石颗粒，是研制过程中需要解决的难题。再加上 Diamond／AI复合材料表面加工耗时耗力，较难获得精度满足实际应用要求的零件，加工成本也十分高昂，这一系列问题导致Diamond／AI复合材料在现阶段的实用化推广进展缓慢。