5.2.1　金属基复合材料的性能

金属基复合材料（metal matrix composite，MMC）是采用人工方法，将不同尺寸、不同形态的金属、合金或金属间化合物基体，纤维、晶须、颗粒等第二相增强成分制备而成的一种复合材料。通过合理的组分设计以及优化的复合工艺，金属基复合材料可以发挥金属基体与增强体各自的优势，从而获得金属材料与增强体的优异性能。与单纯的基础金属相比，金属基复合材料能提供高强度、高硬度、良好的耐磨性、低热膨胀系数和低密度等特性，但在塑性等指标方面有所损失。在某些情况下，性能的改进是呈几何级数的。金属基复合材料作为最重要的复合材料之一，凭借其优异的综合性能，在众多航天、交通以及电子领域中均发挥了不可替代的作用。

根据目前发展状况，按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分为铝基、镁基、铜基、镍基、钛基和高温合金等复合材料。通过合理的设计和复合工艺，使之兼有金属良好的塑韧性、加工性能以及增强体的高比强、比刚、强模量、更好的导热性、更小的热膨胀系数以及耐磨损、尺寸稳定性、阻尼性等优点。此外，复合材料轴向模量和强度比单纯的基体金属大得多，可以在非取向构型中得到应用，但金属基复合材料的横向强度通常比母体金属材料低一些。

20世纪60年代，国外在研制硼纤维的基础上首先发展了硼/铝复合材料，并取得了成功。美国国家航空航天局（NASA）于1963年首次研发了金属基复合材料，其中考虑了界面反应控制、制备工艺等金属基复合材料的关键技术。另外，由于价格较低的碳纤维迅速发展，至70年代中期研究工作主要集中于碳纤维增强铝。近年来，由于金属基复合材料及其增强体的研究不断深入及扩大，出现了碳化硅单丝粗纤维、束丝纤维、晶须、颗粒和氧化铝长纤维、短纤维等增强多种金属基复合材料。其中，晶须增强金属基复合材料与连续纤维增强金属基复合材料相比，其各向异性极小。通过多年的研究，在了解增韧的性质以及纤维与基体之间的结合量方面取得了巨大的进步［Hyuga，Jones，Hirao，& Yamauchi，2004；Lundberg，Pompe，Carlsson，& Goursat，1990；Qi，Zhang，& Hu，2007；Saigal等，1993］。对于涡轮发动机应用，开发了涂层工艺和成分，以保护纤维-基体键相互作用并防止结构完全氧化［Ramasamy、Tewari、Lee、Bhatt和Fox，2010］。与短纤维增强复合材料相比，晶须增强复合材料的性能更高，晶须增强金属基复合材料具有比强度和比模量高、热稳定性好以及抗疲劳能力强等优良的性能。金属基复合材料已经成为不可替代的战略性新材料，其应用广度、发展速度和生产规模已成为衡量一个国家材料科技水平的重要标志之一；20世纪80年代的结构材料研究大多涉及复合材料理论，研究人员试图理解强度和韧性的原理，包括断裂的主要主题（裂纹萌生、裂纹扩展、高温下缓慢裂纹扩展等）。与此同时，实验者们在氮化硅体中加入了任意数量的不同材料，试图增强和/或增韧（或硬化）它们。碳化硅是一个明显的选择，因为它也有一个硅基，表现出高硬度，其微粒比晶须和纤维更容易融入基体而不必担心任何优先取向的影响，也就是说，具有高长径比的复合添加剂在加工过程中倾向于定向，而更等维的颗粒则不会；另一方面，必须保持颗粒添加剂均匀分散在整个产品中，颗粒大小的巨大差异，或者更糟的是，密度的差异可能导致颗粒和氮化硅在成型过程中分离。复合材料理论的研究正在持续进行中。

目前，全球金属基复合材料市场基本上被西方发达国家所垄断，超过总质量2/3的金属基复合材料为美国、欧洲、日本等发达国家或地区所使用。

我国金属基复合材料的研制进展主要分为起步、工程验证、普及应用等三个阶段。(https://www.daowen.com)

1980—1999年为金属基复合材料的起步阶段，受限于薄弱的研究基础，过程较为艰难。20世纪80年代初，国内学术界对于金属基复合材料还十分陌生，无经验无设备。1982年，哈尔滨工业大学采用手工铺设、胶黏剂黏结的方法试制出钨丝增强铜复合材料板材，研究了复合材料拉伸强度与纤维方向的依赖关系。1984年，哈尔滨工业大学从日本引进了压力浸渗技术，试制出SiC晶须增强铝复合材料（SiCw/Al）样品。1985年，北京航空材料研究院报道了利用滚轧金属箔扩散黏结方法，制备硼纤维/铝复合材料板的研究结果。金属基复合材料制备工艺复杂，成品率很低、性能离散度很大，材料制备技术是制约其发展的第一障碍。2000—2010年，我国突破了大气环境下压力浸渗、真空无压浸渗等材料制备技术，金属基复合材料开始在航天、航空装备上进行小范围应用。2010年前后，我国金属基复合材料进入普及应用与快速发展阶段，在航空航天、武器装备等尖端产业的推动下，金属基复合材料在制备和应用方面都有了较大的发展，若干种金属基复合材料在尖端国防领域的成功应用，显著提升了重大装备的精度和效能，也为装备换代和技术升级提供了坚实保障。在电子封装领域、航天装备领域的应用规模逐步扩大，出现了若干金属基复合材料高新技术企业，形成了小批量生产配套的能力，我国目前研究较深入的技术有10多项。但在民用工业领域，金属基复合材料的研究进展相对缓慢，应用领域也不够广泛。

虽然我国金属基复合材料的部分技术，如大气环境下自排气压力浸渗技术具有领先水平，粉末冶金技术、搅拌铸造技术整体上与国外水平比肩，材料产品性能指标与国外报道的基本相当。但综合来看，金属基复合材料技术仍然落后于美国、日本、加拿大、英国等传统材料强国，产业化环境的差距更为明显。随着国家军民技术一体化发展的实施，金属基复合材料产业面临着“重要战略机遇期”，在新的产业形势下，针对军民两用市场急剧增长的现实需求，分析金属基复合材料技术及其产业环境存在的不足、探讨协调解决发展速度与发展质量的措施，相关研究显得尤为迫切。未来5～10年，随着装备更新换代步伐的加快，我国金属基复合材料的市场需求将出现“井喷式”态势，并有望拓展并广泛应用于民生领域装备。预计国内市场主要分布在：高精度机电产品、空间光学仪器、惯导仪器、轨道交通与地面交通装备、电子器件、通信设施、新光源、微波装置等。具体来说，第三代半导体器件、5G通信、电动汽车、高铁刹车盘、商业航天等产品领域将会有千亿元级别的庞大市场需求。

近年来，铝基复合材料无论是在理论研究还是技术应用上均取得了很大突破，已成为发展最快的金属基复合材料，同时也是国内外研究的主流之一。按照不同的增强体，铝基复合材料可分为纤维增强型（包括短纤维）、晶须增强型（直径为15～100μm等轴晶粒）、层状型（交替层压型）和定向凝固共晶型。其中，纤维增强型铝基复合材料具有以下特点：①连续纤维长度可达数百米，性能上有方向性，轴向的强度和弹性模量比较高。常用的连续纤维有碳纤维、硼纤维、SiC、和Al2O3纤维。②短纤维由于一般采用挤压铸造法制备，工艺简单、制备成本低，且改善了增强体与高温金属溶液的润湿性问题。

金属间化合物具有长程有序的超点阵结构，保持很强的金属键结合，使它们具有许多特殊的理化性质和力学性能。金属间化合物具有优异的热强性，近年来已成为国内外积极研究的重要的新型高温结构材料。在军事工业中，金属间化合物已被用于制造承受热负荷的零部件上，如美国空军用钛铝制造小型飞机发动机转子叶片等，美国普奥公司制造了JT90燃气涡轮发动机叶片，俄罗斯用钛铝金属间化合物代替耐热合金制作活塞顶，大幅度地提高了发动机的性能。在兵器工业领域，坦克发动机增压器涡轮材料为K18镍基高温合金，因其密度大、起动惯量大而影响了坦克的加速性能，应用钛铝金属间化合物及其由氧化铝、碳化硅纤维增强的复合轻质耐热新材料，可以大大改善坦克的起动性能，提高战场上的生存能力。此外，金属间化合物还可用于多种耐热部件，减轻质量，提高可靠性与战技指标。