金属基复合材料

基 体	纤 维	纤维直径 /μm	纤维含量 (体积分数)/%	制备工艺	使用温度 /℃	密度 /g·cm-3	抗拉强度 /MPa	弹性模量 /GPa	比强度 /Mcm	比模量 /Mcm
Al	B B(涂B4C) SiC(CVD) SiC晶须 Al2O3纤维束 C	200 140 140 2 20 6	50 50 50 20 60 40	DB HM DB HM PM L L+DB	350 350 350 350 350 350	2.62 2.62 2.96 2.80 3.45 2.37	1482 1517 1724 483 586 455	221 221 214 110 262 131	5.8 5.9 5.9 1.8 1.7 2.0	860 860 740 400 770 560
Mg	B C Al2O3	140 6 20	50 40 50	L L+DB L	300 300 300	2.18 1.82 2.80	1310 565 517	193 110 200	6.1 3.1 1.9	900 620 730
Ti	B(涂SiC) SiC(CVD)	145 140	35 35	DB DB	650 650	3.76 4.00	758 862	207 193	2.1 2.2	560 400
Fe、Ni基 合金	SiC W丝	140 200	50 35	DB DB	800 1150	5.41 11.7	1655 1793	311 304	3.1 1.6	590 270

注：制备工艺栏中DB—扩散粘结;HM—热成型; PM—粉末冶金;L—金属液体浸渍。

各种纤维增强金属基复合材料具有不同的综合性能，用于不同的领域。铝基和镁基复合材料主要用于航天、航空领域作为高性能的结构材料。钛基和高温合金基复合材料主要用于发动机零件。铜、铅基复合材料主要用于电子和能源领域，作为特殊的导体和电极材料。

(1)碳(石墨)/铝、碳(石墨)/镁复合材料具有高的比强度和比模量，又具有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，已成功地用于人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜和照相机的镜筒、红外反射镜、人造卫星抛物面天线等。

(2)硼/铝复合材料是应用最早的纤维增强金属基复合材料，具有很高的比强度和比模量，可作主承力构件。硼/铝复合材料管柱用于航天飞机机舱框架结构，243根硼/铝组成的航天飞机机舱框架结构比用铝制重量减轻44%。硼/铝复合材料也用于航空和先进武器系统，例如做成B₁飞机的垂直尾翼、发动机风扇叶片、导弹构件，还用于核能装置和核燃料的储运设备等。

(3)钨丝增强高温合金、钨丝增强铜、碳化硅纤维增强Ti₃Al、TiAl、Ni₃Al等金属间化合物在燃气轮机耐热零件、火箭发动机方面的应用是金属基复合材料研究的重要方向之一。这些高温金属基复合材料具有良好的高温强度、抗蠕变性、抗冲击、耐热疲劳等性能，用作燃气轮机叶片、转动轴等高强零件，能明显提高发动机的效率。纤维增强金属基复合材料，由于具有良好的导热、导电性能和低的热膨胀系数，在电子工业中用作大功率大规模集成电路元件基板热膨胀系数与硅材料相当，可避免热应力造成的硅片损伤和器件失效，提高了集成电路元件的可靠性。

(4)碳/铜复合材料具有优良的导电性和耐烧蚀性，做成的单级惯性电极电刷可通过1000A/cm²的大电流，在粒子束武器中有重要作用。碳/铅复合材料可用作核潜艇大型蓄电池极板。

纤维增强金属基复合材料在汽车、体育、纺织等工业中的应用也正在迅速发展。特别是在汽车工业中用纤维增强金属基复合材料制造内燃机活塞、连杆、活塞销等发动机零件，有效地减轻运动部件的重量，提高发动机的效率和使用寿命。用氧化铝、硅酸铝纤维增强的铝活塞是金属基复合材料在民用工业中应用最成功的实例。由于在铝合金中加入氧化铝短纤维而有效地提高了合金的高温强度、耐磨性和减小热膨胀系数，使发动机效率提高5%，寿命提高5倍以上。

颗粒增强金属基复合材料 以一种或多种金属、非金属或陶瓷的颗粒作增强体，弥散于金属基体中所制成的一种金属基复合材料。由于纤维增强金属基复合材料所用长纤维的价格昂贵，制备工艺复杂，使纤维增强复合材料的发展和应用受到限制。然而，颗粒增强金属基复合材料的制备工艺比较容易，成本低，并可用热压、热挤压、热轧等常规热加工工艺加工成形，增强相在基体内弥散分布具有各向同性，适于复杂应力状态下使用。70年代颗粒增强铝基复合材料得到迅速发展，80年代又相继开发了镁、钛、镍及各种金属间化合物复合材料。

颗粒增强铝基复合材料是研究较多、比较成熟的一类金属基复合材料。其中碳化硅颗粒增强铝基复合材料，由于碳化硅颗粒与铝有良好的界面接合强度，铝基体经碳化硅颗粒增强后能显著提高弹性模量、抗拉强度、高温性能和耐磨性，采用常规粉末冶金法或铸造法即可进行制备，它是当前金属基复合材料中应用最广，最早能实现大规模产业化的品种。

碳化硅颗粒增强铝的密度仅为钢的1/3，为钛合金的2/3而与铝合金相近。它的强度比中碳钢好，与钛合金相近而比铝合金略高。模量略高于钛合金但比铝合金高很多。在耐磨性上与钢相似，优于钛合金，比铝合金大1倍。其价格与铝合金大致相当，而仅为钛合金的1/5。目前已经小批量用于汽车工业和机械工业中。可应用于火箭和导弹构件，红外及激光制导系统构件，超轻空间望远镜，精密航空电子器件封装材料，坦克履带板等。

晶须增强金属基复合材料 以晶须为增强体，以金属为基体所形成的一种金属基复合材料。它的研究始于60年代末，当时采用蓝宝石晶须和碳化硅晶须等增强各种金属基体，但由于晶须昂贵，限制了它的使用。70年代美国Cutter发明用稻壳为原料生产廉价晶须的技术，使一度低落的晶须增强金属基复合材料的研究又重新活跃起来。80年代 一些发达国家，尤其是美国和日本，对晶须增强金属基复合材料的制备、加工技术及性能等方面的研究已相当成熟。晶须增强金属基复合材料最突出的优点是可以进行二次加工，一般采用热挤压、热轧制和热旋压等方法。二次加工可消除复合材料中的孔洞，提高晶须分布的均匀性，从而能提高强度并明显改善材料的塑性。晶须增强金属基复合材料已在航天航空、汽车、体育器械及纺织等部门得到应用。晶须增强金属基复合材料以其优异的性能正在受到注视。

定向凝固共晶复合材料 是 一种自生纤维(或片层)增强的金属基复合材料，它的纤维或片层是在合金熔体定向凝固时和基体同时生长的。1960年定向凝固技术开始用于制备复合材料，采用定向凝固法能生产出具有特殊物理和力学性能的金属基复合材料。定向共晶复合材料的两相具有不同的电、磁、热等物理性能以及由规则排列引起的各向异性，使这类材料可用作电磁材料、电子材料等。如定向凝固的Ni-W共晶合金可作冷发射电极，定向凝固共晶InSb-NiSb系列已广泛用于电磁场传感器、无触点电位计等。

80年代定向凝固共晶合金出现了以NiAl、Ni₃Al为基的新型合金。同时，用NbC、TaC纤维强化的定向共晶高温合金已逐步向实用化阶段过渡。1977年，美国成功地进行了NiTaC1₃定向共晶合金制造的低压涡轮实心叶片发动机试车，80年代后期，美国又采用NiTaC1₄B定向共晶合金制作高压涡轮空心冷却叶片，通过了184h的高性能发动机台架试车，与定向凝固高温合金Rene’150叶片相比，使用温度提高了38℃。因而，定向凝固共晶复合材料具有潜力，有待于进一步研究开发。

层状金属基复合材料 在金属基体外包覆以金属、聚合物或陶瓷而制成的材料，又称交替叠层型金属复合材料。层状金属基复合材料的使用历史悠久，在古代就已使用钢和铁制成利而韧的刀剑。应用最多的是金属/金属层状材料，表2中列有各种金属材料的可能组合。

表2 金属与金属的复合(√表示可能的组合)