金属基复合材料知识讲解
第六章金属基复合材料
复合材料强度同组分性能间的关系 可用如下的公式表示：
C *F.VFM.VM
式中，C*表示复合材料的抗拉强度，即复合 材料原始面积上的应力； F为所有纤维上的平均 应力； M是基体在断裂时的平均应力；VF和VM 是纤维和基体的体积分数。
45
如果没有孔隙及第三相存在，则应有
VFVM1
对于脆性材料或高强度材料，这种要求 是非常重要的。
由于复合材料的强度取决于纤维的束强 度，这种束强度与每个纤维的强度有关。因 此，需使各个纤维的强度驱于一致。
29
(G)抗损伤或抗磨损性能。 脆性纤维对湿暴露或表而磨损特别敏感， 这些缺点对一般复合工艺都有不利影响。
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下表列出了一些重要的增强纤维及其性能
下图给出了二维阻滞力的示意图。
61
负荷
二维裂纹的扩展
箭头表示纤维上的剪切应力
62
如果这些力平均分配在最近邻的六根纤 维上及平均纤维应力是2.8GPa时，则在纤维 断裂时，加给邻近纤维的局部附加张应力就 是2.8GPa，或者说每邻近纤维上的附加张应 力是0.45GPa。
63
纤维断裂处的附加应力值最大，而在离 开断头端的距离等于临界剪切传递长度处， 附加应力减小到零。
而与树脂基复合材料相比，它又具有 优良的导电性与耐热性；
与陶瓷基材料相比，它又具有高韧性 和高冲击性能。
3
金属基复合材料的这些优良的性能决 定了它已从诞生之日起就成了新材料家族 中的重要一员，它已经在一些领域里得到 应用并且其应用领域正在逐步扩大。
4
一、金属基复合材料的种类
金属基复合材料是以金属为基体，以 高强度的第二相为增强体而制得的复合材 料。因此，对这种材料的分类既可按基体 来进行、也可按增强体来进行。
金属层状复合材料与金属基复合材料
金属层状复合材料与金属基复合材料一、金属层状复合材料与金属基复合材料的概念与分类1.1 金属层状复合材料的定义与特点金属层状复合材料是由多层金属片通过堆叠、压制或焊接等工艺制备而成的一类复合材料。
其具有以下特点： - 高强度和刚度：由于金属片的堆叠层数多，可以提高材料的强度和刚度。
- 轻质：相比传统的实心金属材料，金属层状复合材料的重量更轻。
- 耐高温：金属层状复合材料通常由高温合金制备，具有良好的高温性能。
- 优异的抗疲劳性能：金属层状复合材料能够承受长时间的重复加载而不容易疲劳破坏。
1.2 金属基复合材料的定义与特点金属基复合材料是以金属为基体，通过添加一定量的非金属相（如陶瓷颗粒、纤维等）形成的复合材料。
其具有以下特点： - 高强度和硬度：添加非金属相后可以显著提高材料的强度和硬度。
- 低密度：相对于普通金属材料，金属基复合材料的密度更低，有利于减轻结构负荷。
- 耐磨损性能：添加的非金属相可以增加金属基复合材料的耐磨损性能。
- 良好的导热性能：金属基复合材料具有良好的导热性能，适用于高温工况。
二、金属层状复合材料的制备方法与应用领域2.1 金属层状复合材料的制备方法2.1.1 堆叠法通过将多层金属片按一定顺序堆叠在一起，并加热至一定温度进行压制，形成金属层状复合材料。
### 2.1.2 焊接法利用金属的焊接工艺将多层金属片进行连接，形成金属层状复合材料。
### 2.1.3 粘结法通过在金属片之间涂布粘结剂，然后将金属片经过压制黏合在一起，形成金属层状复合材料。
2.2 金属层状复合材料的应用领域•航空航天领域：金属层状复合材料具有优异的强度和轻质特性，适用于航空航天结构件的制造，如飞机机身、发动机部件等。
•汽车领域：金属层状复合材料可以用于制造汽车车身结构，降低整车的重量，提高燃油经济性。
•建筑领域：金属层状复合材料的高强度和刚度特性，使其成为建筑结构中的重要材料，如大跨度屋顶、桥梁等。
一张图看懂金属基复合材料
金属基复合材料的特点
高比强度、 比模量 良好的导热、
... 导电性能
不吸潮、不老 化、气密性好
热膨胀系数小、 尺寸稳定性好
良好的断裂韧性 和抗疲劳性能
机械结合
浸润与溶解结合 化学反应结合
主要依靠增强剂的粗 糙表面的机械“锚固”
力结合。
如相互溶解严重，也 可能发生溶解后析出 现象，严重损伤增强 剂，降低复合材料的
性能。
大多数金属基复合 材料的基体与增强 相之间的界面处存 在着化学势梯度。 只要存在着有利的 动力学条件，就可 能发生相互扩散和
化学反应。
0190 全球金属基复合材料的产量分析
2015年全球金属基复合材料的产量为 6,673.8吨，预计2020年金属基复合材料的 产量为8,859.1吨。年复增长率为5.8%。
全球金属基复合材料产量分析/吨
4,500.00 4,000.00 3,500.00 3,000.00 2,500.00 2,000.00 1,500.00 1,000.00
金属基复合材料分类
增强体
颗粒增强金属基 复合材料
短纤维、晶须增强金 属基复合材料
长纤维强金属基复合 材料
层状复合材料
...
基体
铝基复合材料 铜基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 镍基复合材料
...
结构复 合材料
功能复 合材料
金属复合材 料
来源：金属基复合材料-赵玉涛-2007，机械工业出版社
金属基复合材料的制备工艺主要有四大类： （1）固态法：(2) 液态法： (3) 喷射与喷 涂沉积法； (4) 原位复合法。
金属基复合材料的特性
金属基复合材料的特性金属基复合材料是一种由金属基体和非金属增强相组成的材料。
它具有独特的特性，使其在许多领域得到广泛应用。
本文将介绍金属基复合材料的特性，包括高强度、高刚度、耐磨性、耐腐蚀性和导热性。
1. 高强度金属基复合材料具有较高的强度，这是由于增强相的加入使其具有更好的抗拉强度和屈服强度。
增强相可以是纤维、颗粒或片状材料，如碳纤维、陶瓷颗粒或硼片。
这些增强相的加入可以有效地提高金属基体的强度，使其在承受高载荷时不易发生变形或破裂。
2. 高刚度金属基复合材料的刚度也较高，这是由于增强相的加入使其具有更好的抗弯刚度和剪切刚度。
增强相的加入可以有效地提高金属基体的刚度，使其在受力时不易发生变形或屈曲。
这使得金属基复合材料在需要高刚度的应用中具有优势，如航空航天、汽车和船舶制造等领域。
3. 耐磨性金属基复合材料具有较好的耐磨性，这是由于增强相的加入使其具有更好的耐磨性能。
增强相可以有效地提高金属基体的硬度和耐磨性，使其在摩擦和磨损环境中具有更长的使用寿命。
这使得金属基复合材料在需要耐磨性的应用中得到广泛应用，如机械零件、刀具和轴承等领域。
4. 耐腐蚀性金属基复合材料具有较好的耐腐蚀性，这是由于增强相的加入使其具有更好的耐腐蚀性能。
增强相可以有效地提高金属基体的抗腐蚀能力，使其在腐蚀介质中具有更长的使用寿命。
这使得金属基复合材料在需要耐腐蚀性的应用中得到广泛应用，如化工设备、海洋工程和石油钻探等领域。
5. 导热性金属基复合材料具有较好的导热性，这是由于金属基体的导热性能较好。
金属基体可以有效地传导热量，使其在需要导热性的应用中具有优势，如散热器、电子器件和航空发动机等领域。
综上所述，金属基复合材料具有高强度、高刚度、耐磨性、耐腐蚀性和导热性等特性。
这些特性使得金属基复合材料在许多领域得到广泛应用，如航空航天、汽车、机械制造和化工等领域。
随着科技的不断进步，金属基复合材料的特性将得到进一步的提升和应用拓展。
金属层状复合材料与金属基复合材料
金属层状复合材料与金属基复合材料1. 介绍金属层状复合材料和金属基复合材料是现代工程领域中常用的新型材料。
它们由不同种类的金属或金属与非金属组成，通过特定的加工工艺和界面结合方式形成复合结构。
这些材料具有优异的力学性能、耐腐蚀性能和热传导性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
2. 金属层状复合材料2.1 定义和组成金属层状复合材料由两种或多种不同厚度的金属片按一定顺序叠加而成。
每一层金属片被称为一道或一片，它们通过界面结合在一起。
通常，这些界面可以通过机械锁定、冷焊接或粘接等方式实现。
2.2 特点和应用金属层状复合材料具有以下特点：•强度高：由于不同种类的金属具有不同的力学性能，叠加在一起可以充分利用各种金属的优点，提高整体强度。
•耐腐蚀性好：通过选择耐腐蚀性能好的金属作为界面材料，可以提高复合材料的耐腐蚀性能。
•热传导性能好：金属层状复合材料中金属之间的界面接触面积大，热传导效率高，适用于需要良好热传导性能的场合。
金属层状复合材料在航空航天、汽车制造和电子设备等领域有广泛的应用。
在飞机结构中使用金属层状复合材料可以减轻重量、提高强度；在汽车发动机中使用金属层状复合材料可以提高散热效果、延长使用寿命；在电子设备中使用金属层状复合材料可以提高散热性能、保护电路。
3. 金属基复合材料3.1 定义和组成金属基复合材料是以金属作为基体，通过添加一定比例的非金属相（如陶瓷颗粒、纤维等）来改善其力学性能和功能特性的复合材料。
非金属相可以均匀分布在金属基体中，也可以形成离散的颗粒或纤维。
3.2 特点和应用金属基复合材料具有以下特点：•强度高：添加非金属相可以增加金属基体的强度、硬度和刚性，提高整体力学性能。
•耐磨损性好：非金属相具有较高的硬度和耐磨损性，可以提高复合材料的耐磨损性能。
•导电性能良好：金属基复合材料仍然保持了金属的导电性能，适用于需要导电功能的场合。
金属基复合材料在航空航天、汽车制造和电子设备等领域也有广泛的应用。
金属基复合材料
腐蚀、抗蠕变和耐疲劳等优异性能，主要用于制造高 温下工作的零部件。
（3）钛基复合材料 比任何其他的结构材料具有更高的比强度，且耐热性好
，抗蚀性能优异。
2.按增强体分类 （1）颗粒增强复合材料 （2）层状复合材料 （3）纤维增强复合材料 6.1.2 金属基复合材料中增强体的性质 连续纤维增强对金属基体的增强效果最好，对于纤维状增
除了上述制造工艺外，还有电沉积、金属粉末成型、铸造和 纤维缠绕配合等工艺。常用纤维缠绕加等离子喷涂基体这样 的工艺来制造平板和大直径圆环，具有极好的高温强度和耐 疲劳性能。
对表面磨损和腐蚀不敏感，具有良好的高温性能，但在 500℃以上暴露于氧气中，短时间纤维强度就会受损，可对 纤维表面进行涂层，如涂覆碳化硅层。
▪ （2）基体
▪ 基体应具有良好的综合性能：较高的断裂韧性，较强的阻止 纤维断裂处或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较 高的强度等。对于高温下使用的复合材料，还要求基体具有 较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊。 应用最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合 材料。
强体，对其性能具有以下基本要求：
金属基复合材料概述
金属基复合材料的分类：按基体分：黑色金属基、有色金属基按增强体分：连续纤维增强金属基复合材料、非连续金属基复合材料（颗粒、短纤维、晶须）；混合增强、层板增强、自生增强金属基复合材料。
金属基复合材料的性能特点：力学性能：金属具有良好的塑形和韧性，加入适量的高强度、高模量、低密度的增强体，可显著提高复合材料的比强度和比模量。
导热、导电性能好，热膨胀系数小、尺寸稳定性好。
耐磨性好。
良好的高温性能良好的断裂韧性和抗疲劳性能（取决于增强体与金属基体的界面结合情况）。
制备方法：2.1、原位自生法2.2、粉末冶金法2.3、喷射沉积法2.4、搅拌铸造法2.5、挤压铸造法一．内生增强的金属基复材的特点.答：1.增强体试从金属体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。
2.通过合理选择反应元素（或化合物)的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。
3.省去了增强体单位合成、处理和加入等工序，因此其工艺简单，成本较低。
4.从液态金属基体中原位形成增强体的工艺，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的近净成形构件。
5.在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大程度地提高材料的强度和弹性模量。
补：外加增强的金属基复材的特点：1.颗粒表面有污染；2.界面结合差；3.润湿性。
二.金属基复材的特点. 答：1.高比强度、高比模量；2.导热、导电性能；3.热膨胀系数小，尺寸稳定性好；4.良好的高温性能；5.耐磨性好；6.良好的疲劳性能和断裂韧度；7.不吸潮，不老化，气密性好。
三增强体的作用.答:传递作用承受力，提高金属基体的强度、模量、耐热性、耐磨性等性能。
四.金属基复材增强体应有的基本特性答:1.增强体具有能明显提高金属基体某种所需特性的性能；2.增强体应具有良好的化学稳定性；3.与金属有良好的浸润性。
五选择增强体的原则. 答：1.力学性能：杨氏模量和塑性强度；2.物理性能：密度和热扩散系数；3.几何性：形貌和尺寸；4.物理化学相容性；5.成本因素。
复合材料学(第六章 金属基复合材料)
缠绕鼓(基体箔材)纤维定向定间距缠绕 涂敷聚合物粘结剂定位。
21
等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：
纤维定向定间距缠绕 等离子喷涂基体粉末定位。
22
PVD法纤维/基体复合丝
采用物理气相沉积（PVD） 手段将基体金属均匀沉积 到纤维表面上，形成纤维 /基体复合丝。
（2）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔 道纵横交错、互相贯通，一般有30％～60％的体积孔隙 度，孔径1～100微米。透过性能和导热、导电性能好， 耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、 多孔电极、灭火装置、防冻装置等。
（3）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、 压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。
(4) 无压浸渗法（Lanxide法）
美国Lanxide公司开发的一 种新工艺。将增强材料制成 预制体，放置于由氧化铝制 成的容器中。再将基体金属 坯料置于增强材料预制体上 部。然后一齐装入可通入流 动氮气的加热炉中。通过加 热，基体金属熔化，并自发 浸渗入网络状增强材料预制
体中。
无压浸渗法工艺原理示意图
4
• 金属基复合材料的例子可追溯到古文明时期。 在土耳其发现的公元前7000年的铜锥子，它是 经过反复拓平与锤打研制成的。在这个过程个， 非金属夹杂物被拉长。
• 弥散强化金属材料：始于1924年，Schmit关于 铝／氧化铝粉末烧结，导致上世纪50及60年代 的广泛研究。
• 沉淀强化的理论开始于30年代，并在以后的几 十年里得到了发展。
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(3) 喷射成型法（Ospray，Spray Co-deposition）
在高速惰性气体射流 的作用下，液态金属形成 “雾化锥”；同时通过一 个或多个喷嘴向“雾化锥” 喷射入增强颗粒，使之与 金属雾化液滴一齐在一基 板（收集器）上沉积并快 速凝固形成颗粒增强金属
金属基复合材料
2）界面的形成及机制，界面产物的控制及界面设计； 3）增强剂在基体中的均匀分布： 在选择制备方法时，应选择那些使得增强剂更均匀、均质排 布（分布）的方法。在这方面，液态法与固态法相比较差。 4）制备工艺方法及参数的选择和优化； 5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。
图9-11 粉末（冶金）法制备金属 基复合材料示意图
3 - 6 固态法制备工艺方法及参数的选择和优化固态法工艺的 主要参数：
1) 温度、时间: D = D0 exp （- Q / RT） D：扩散系数；Q： 扩散激活能。
X = k t 1/2 X：反应层厚度； k：反应速度常数。 2) 压力：促进结合 面的接触及在一定 温度下的金属基体 的塑性流动。 3) 结合面的清洁度：
合材料时，主要是基体
与基体之间的扩散结合，
有利于材料界面的改善；
同时通过控制基体沉积
层的厚度可控制纤维的 体积比。
图 9-4 PVD法纤维表面金属基体沉积层
2 - 4 粉末法纤维/基体复合丝
首先将金属基体粉末与聚合物 粘接剂混合制成基体粉末/聚合 物粘接剂胶体，然后将纤维通 过带有一定孔径毛细管的胶槽， 在纤维表面均匀地涂敷上一层 基体粉末胶体，干燥后形成一 定直径的纤维/基体粉末复合丝。 复合丝的直径取决于胶体的粘 度、纤维走丝速度以及胶槽的 毛细管孔径等。
业化生产。铝基复合材料单坯可达250公斤。
4 - 4 无压浸渗法（Lanxide法）
金属基复合材料
金属基复合材料
金属基复合材料是一种由金属基体和其他非金属材料（如陶瓷、碳纤维等）组
成的复合材料。
它具有金属的高强度、刚性和导热性，同时又具有非金属材料的轻量化和耐腐蚀性能。
金属基复合材料在航空航天、汽车制造、电子设备等领域有着广泛的应用。
首先，金属基复合材料的制备方法有多种，其中包括粉末冶金法、热压法、热
处理法等。
粉末冶金法是将金属粉末与非金属粉末混合后，通过压制和烧结得到复合材料。
热压法是将金属基体和非金属材料层叠在一起，然后通过高温和高压进行热压，使两者紧密结合。
热处理法则是将金属基体与非金属材料进行热处理，使其在高温下发生化学反应，形成复合材料。
其次，金属基复合材料具有优异的性能。
首先，它具有高强度和高刚性，能够
承受较大的载荷，因此在航空航天领域得到广泛应用。
其次，金属基复合材料具有良好的导热性和导电性，能够有效地传递热量和电流，因此在电子设备中有着重要的作用。
此外，金属基复合材料还具有耐磨损、耐腐蚀等特性，能够在恶劣环境下长期稳定运行。
最后，金属基复合材料的发展前景广阔。
随着科技的不断进步，金属基复合材
料的制备工艺和性能将不断得到提升，其应用领域也将不断扩大。
未来，金属基复合材料有望在汽车制造、建筑领域等方面发挥更加重要的作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
综上所述，金属基复合材料具有制备方法多样、优异的性能和广阔的发展前景。
它在现代工业中有着重要的地位，为各个领域的发展提供了重要支撑。
相信随着科技的不断进步，金属基复合材料将会迎来更加美好的未来。
复合材料概论第6章--金属基复合材料解析
基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍 基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。
3、功能复合材料的基体
❖ 要求材料和器件具有优良的综合物理性能，如同时具有 高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧 烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。
❖ 火箭、飞机高性能发动机：要求复合材料不仅有高比强
度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中 正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合 金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金 复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。
❖ 汽车发动机：要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强
◆ 增强材料的表面未处理，存在有 吸附的氧，在制备时也会与基体产生 界面反应。
度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金作基 体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。如碳 化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料可制作发动机活 塞、缸套等零件。
❖ 电子工业：集成电路基板和元件需要高导热、低 膨胀、具有一定耐热性的金属基复合材料。
选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热 膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低 热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合 材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。
例：石墨纤维/镁基复合材料
当纤维含量达到48%时，复合材料的热膨料导热、导电性能比聚合物或者陶瓷基结 构好得多。它可以使局部高温热源和集中电荷很好扩散消 除。如碳纤维增强铝基复合材料可以作为航空航天技术领 域中的结构材料，还可以作为空间装置的热传导和散热器 面板应用。
金属基复合材料(MMC)
图 9-4 PVD法纤维表面金属基体沉积层
2 - 4 粉末法纤维/基体复合丝
图9-5 粉末法纤维/基体复合丝示意图
2 - 6 熔池法纤维 / 基体复合丝
图 9-6 熔池法纤维 / 基体复合丝示意图
这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。 由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。 如图9-6所示，对纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的脆性相Al4C3生成。
图 9-9 模压成型制备金属基复合材料示意图 模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材（图9-9）。
3-4 超塑性成型/ 扩散结合 （SPF / DB）
超塑性：材料在低负载作用下，拉伸变形时不发生缩颈，也不发生断裂，延伸率可达 100% 到 2000% 的现象。塑性流变和应变速度的关系如下： = K (e ) m 式中 ：流变应力；e：应变速度；K：常数；m：应变速度敏感指数，衡量超塑性的重要参数。 影响超塑性的因素： 1) 形变速度：10 -4 ~10 -1 /分 2) 温度：> 0. 5T m ，达到相变临界点以下的某一温度可得到最大的m值和延伸率。 3) 晶粒度： 稳定、等轴、复相直径为0.5 5 m的细晶粒。
金属基复合材料
扩散结合的工艺过程
扩散结合工艺中，增强纤维与基体的结合主要分为三个关键
步骤：①纤维的排布；②复合材料的叠合和真空封装；③热压。 a)金属箔复合法 b)金属无纬带重叠法 c)表面镀有金属的纤维结合法
扩散结合的特点
采用扩散结合方式制备金属基复合材料，工艺相对复 杂，工艺参数控制要求严格，纤维排布、叠合以及封装 手工操作多，成本高。 但扩散结合是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的 唯一可行的工艺。
3、金属基复合材料的界面优化及界面设计
改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反应
的速度和反应产物的数量，防止严重危害复合材料 性能的界面或界面层的产生，进一步进行复合材料 的界面设计，是金属基复合材料界面研究的重要内 容。
从界面优化的观点来看，增强剂与基体在润湿
后又能发生适当的界面反应，达到化学结合，有利 于增强界面结合，提高复合材料的性能。
界面优化以及界面设计一般有以下几种途径：
增强剂的表面改性处理 （1）改善增强剂的力学性能(保护层);
（2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性(润湿层);
（3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应(阻挡 层); （4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数 等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性 差的现象(过渡层、匹配层)。 常用的增强材料的表面(涂层)处理方法有：PVD、 CVD、电化学、溶胶-凝胶法等。 23
机械“锚固”力结合。
（2）浸润与溶解结合：第二类界面。如相互溶解严重，也可 能发生溶解后析出现象，严重损伤增强剂，降低复合材料的 性能。如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料以 及碳纤维/镍基复合材料在600C下碳在镍中先溶解后析出的 现象等。 （3）化学反应结合：第三类界面。大多数金属基复合材料 的基体与增强相之间的界面处存在着化学势梯度。只要存在 着有利的动力学条件，就可能发生相互扩散和化学反应。
金属基复合材料名词解释
金属基复合材料名词解释
嘿，你知道啥是金属基复合材料不？这可不是什么普通玩意儿啊！咱就说金属，那可是老重要了，像钢铁啦，铝合金啦，那都是在生活中到处都能看到的。
那金属基复合材料呢，就是把这些金属和其他的材料奇妙地组合在一起！比如说，把陶瓷颗粒加进去，哇塞，就好像给金属注入了一股强大的力量。
就好比啊，金属是个强壮的大力士，陶瓷颗粒就是给他配备的秘密武器，让他变得更厉害、更强大！你想想看，一辆汽车，要是用了金属基复合材料，那得多结实，多耐用啊！又或者飞机上的一些部件，用上这种材料，那安全性不就蹭蹭往上涨嘛！
再来说说这金属基复合材料的优点，那可真是多得让你惊叹！它强度高啊，比单纯的金属可强多了，这就像一个普通人经过特训后变成了超级英雄！而且它还耐磨、耐高温，这不就是传说中的“金刚不坏之身”嘛！你说牛不牛？
那它是怎么被制造出来的呢？这可不是随便就能搞定的事儿哦！需要经过一系列复杂的工艺，就像雕琢一件珍贵的艺术品一样。
科研人员们可是花费了大量的心血在这上面呢。
还有啊，它的应用范围那叫一个广！从航空航天到汽车制造，从电子设备到医疗器械，到处都有它的身影。
这就好像一个全能选手，哪里需要它，它就出现在哪里！你说神奇不神奇？
我觉得金属基复合材料就是材料界的一颗璀璨明星，它的出现给我们的生活带来了巨大的改变和进步，难道不是吗？。
金属基复合材料MMC课件
高性能结构件
金属基复合材料具有高强度、高刚性和轻量化的特点，适用于制 造航空航天领域的高性能结构件。
耐高温性能
金属基复合材料能够承受高温环境，适用于制造飞机和火箭的燃烧 室和喷嘴等部件。
减振降噪性能
金属基复合材料的减振降噪性能较好，可用于制造飞机和火箭的起 落架和机身等部件。
电子封装材料的应用
散热性能
新材料与新技术的研发
1 2 3
高性能增强相的研发 利用新材料如碳纳米管、陶瓷纳米颗粒等，提高 金属基复合材料的力学性能和热稳定性。
金属基复合材料的制备技术 研究新的制备方法，如原位合成、喷射沉积、激 光熔覆等，以实现高效、低成本的生产。
多功能金属基复合材料 开发具有导电、导热、磁性等功能的新型金属基 复合材料，满足不同领域的应用需求。
分类
根据增强体的不同，金属基复合材料可分为连续增强金属基复合材料和非连续 增强金属基复合材料。
金属基复合材料的特性
高比强度和比模量
可设计性强
金属基复合材料具有较高的比强度和 比模量，能够满足轻量化设计的需求。
通过选择不同的增强体和金属基体， 可以定制金属基复合材料的性能，满 足各种应用需求。
良好的热稳定性和耐磨性
车、高尔夫球杆等。
医疗器械
用于制造医疗器械，如 手术刀、牙科工具等， 提高医疗器械的耐用性
和可靠性。
02
金属基复合材料的制备方法
粉末冶金法
粉末冶金法是一种常用的制备金属基复合材料的方法，通过将增强体（如碳纤维、陶瓷颗粒 等）与金属粉末混合，经过压制、烧结和热等静压等工序，制备出具有优异性能的金属基复 合材料。
界面设计与优化
01
02
03
界面类型
金属基复合材料
图4-5 挤压铸造成型工艺流程
4.3.2.2 真空吸铸成型
成型方法：在铸型内形成一定负压条件，使液 态金属或颗粒增强金属基复合材料自下而上吸 入型腔增强材料预制件缝隙中制备复合材料部 件。真空度0.06～0.08MPa。
优点：制品无气孔、疏松和缩孔等缺陷，组织 致密，工艺参数易于控制，适合于各种增强材 料和形状复杂零部件的制造。
4.3.3 原位复合法 在一定条件下，通过元素与化合物之间的化学 反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬 度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化 金属基体的目的。 4.3.3.1 定向凝固法 将某种共晶成分的合金原料在真空或惰性气氛 中通过感应加热熔化，通过控制冷却方向，进 行定向凝固，在基体中生长出排列整齐的条状 或层状共晶增强材料。其中连续相为基体，条 状或片状的分散相为增强体。主要作为高温结 构材料，用于发动机或涡轮叶片用三元共晶合 金Al-Ni-Nb，形成α相和β相的Ni3Al和Ni3Nb。 特点：增强体不是预先放置，而是在基体内部 就地生成与生长，具有优良的高温力学性能。 但可用的系统有限。
Al2O3短纤维体积 分数/%
屈服强度σb/MPa
断裂伸长率δ/%
0
230
15.0
8
266
5.0
15
297
4.0
20
321
3.0
表4-4 SiCw/Al复合材料和铝合金（6061T6）的力学性能
力学性能 拉伸强度/MPa 屈服强度/MPa 弹性模量/GPa 切变模量/GPa
泊松比 密度/g·cm-3
图4-3 热压扩散工艺过程示意图
图4-4 纤维表面包覆金属粉末的热压扩散 结合法
金属基复合材料
金属基复合材料
金属基复合材料（Metal Matrix Composites，MMC）是指用金
属作为基体，加入一定比例的增强材料，经过加工制备成具有优异性能和特点的复合材料。
金属基复合材料能够综合了金属的导热性、导电性和良好的可塑性，以及增强材料的高强度、高硬度和高耐磨性。
这使得金属基复合材料在许多领域具有广泛的应用。
金属基复合材料可以通过不同的方法制备，其中最常见的方法是粉末冶金法。
在这种方法中，将金属基体和增强材料的粉末按照一定比例混合，并通过热等静压、热变形等工艺进行成型。
然后经过热处理和后续的加工工艺，得到具有一定结构和性能的金属基复合材料。
金属基复合材料具有许多优点。
首先，金属基复合材料具有较高的强度和硬度，使其能够承受更大的力和压力。
其次，金属基复合材料具有优异的耐腐蚀性能，使其在恶劣环境下能够长期稳定运行。
此外，金属基复合材料还具有良好的抗疲劳性能和热膨胀性能，可以适应不同的工作条件和温度变化。
金属基复合材料在汽车、航空航天、电子、建筑以及军工等领域得到广泛应用。
在汽车领域，金属基复合材料可以用于制造发动机零部件、车身结构件和刹车系统等。
在航空航天领域，金属基复合材料可以用于制造发动机叶片、航空航天结构件和燃气轮机等。
在电子领域，金属基复合材料可以用于制造散热器、连接器和电子封装材料等。
在建筑领域，金属基复合材料
可以用于制造抗疲劳、抗震和耐久的结构材料。
总之，金属基复合材料是一种具有优异性能和特点的复合材料，广泛应用于各个领域。
随着科学技术的不断发展，相信金属基复合材料将会有更加广泛的应用前景。
复合材料第五章(1)金属基复合材料-金属基复合材料的分类
42
图5.11 熔池法纤维 / 基体复合丝示意图
43
2.2.2 固态法 — 连续增强相金属基复合材料制备工艺
（1）真空热压扩散结合（Vaccum Press / Diffusion Bonding）
工艺特点：制备连续纤维金属基复合材料传统工艺
强度：与颗粒在基体中分布的平均间距Dp有关 （Dp越小，屈服强度越高）
模量：与颗粒形状有关
（长径比值增大，对混合定律偏差减小）
29
（2）断裂韧性
影响因素：颗粒大小、颗粒及晶须取向 等
随着直径d增加、体积含量减少，复合材料断裂韧性增加
PRMMC的断裂韧性一般要优于WRMMC
（晶须前沿会造成应力集中，容易引发裂纹）
偏析、偏聚、孔隙等缺陷少 复合材料性能明显改善
46
（3） 模压成型（Mold Forming）
工艺特点： 属于扩散结合 工艺概要： 预制体在模具中加压进行扩散结合 工艺优点： 制品有一定形状（可制备各种型材）
47
（4） 粉末(冶金)法（Slurry Powder Metallurgy）
工艺特点：解决了使用金属箔材成本高问题 工艺优点：成本低
38
（3）PVD法纤维/基体 复合丝
纤维/基体复合丝制备：基体金属物理气相沉积到纤维表面
复合材料制备： 基体与基体之间扩散结合
有利于材料界面改善 可控制纤维体积比（沉积层厚度）
39
（4）粉末法纤维/基体 复合丝 1）基体粉末与聚合物粘接剂混合制备成胶体 2）纤维通过毛细管胶槽，表面涂敷一层基体粉末胶体
Al
2.7 660 23.1 218 72.4
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金属基复合材料1、复合材料的定义和分类是什么？定义：是由两种或多种不同类型、不同性质、不同相材料，运用适当的方法，将其组合成具有整体结构、性能优异的一类新型材料体系。
分类：按用途可分为：功能复合材料和结构复合材料。
结构复合材料占了绝大多数。
按基体材料类型分类可分为：聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料（包括陶瓷基复合材料、水泥基复合材料、玻璃基复合材料）按增强材料形态可分为：纤维增强复合材料（包括连续纤维和不连续纤维）、颗粒增强复合材料、片材增强复合材料、层叠式复合材料。
3、金属基复合材料增强体的特性及分类有哪些？增强物是金属基复合材料的重要组成部分，具有以下特性：1）能明显提高金属基体某种所需特性：高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等，以便赋予金属基体某种所需的特性和综合性能；2）具有良好的化学稳定性：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的变化和退化；3）有良好的浸润性：与金属有良好的浸润性，或通过表面处理能与金属良好浸润，基体良好复合和分布均匀。
此外，增强物的成本也是应考虑的一个重要因素。
分类：纤维类增强体（如：连续长纤维、短纤维）、颗粒类增强体、晶须类增强体、其它增强体(如：金属丝)。
4、金属基复合材料基体的选择原则有哪些？ 1）、金属基复合材料的使用要求；2）、金属基复合材料组成的特点；3）、基体金属与增强物的相容性。
5、金属基复合材料如何设计？复合材料设计问题要求确定增强体的几何特征（连续纤维、颗粒等）、基体材料、增强材料和增强体的微观结构以及增强体的体积分数。
一般来说，复合材料及结构设计大体上可分为如下步骤：1）对环境与负载的要求：机械负载、热应力、潮湿环境 2）选择材料：基体材料、增强材料、几何形状 3）成型方法、工艺、过程优化设计 4）复合材料响应：应力场、温度场等、设计变量优化 5）损伤及破坏分析：强度准则、损伤机理、破坏过程6、金属基复合材料制造中的关键技术问题有哪些？1）加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应。
在加工过程中，为了确保基体的浸润性和流动性，需要采用很高的加工温度（往往接近或高于基体的熔点）。
在高温下，基体与增强材料易发生界面反应，有时会发生氧化生成有害的反应产物。
这些反应往往会对增强材料造成损害，形成过强结合界面。
过强结合界面会使材料产生早期低应力破坏。
高温下反应产物通常呈脆性，会成为复合材料整体破坏的裂纹源。
因此控制复合材料的加工温度是一项关键技术。
2）增强材料与基体浸润性差是金属基复合材料制造的又一关键技术，绝大多数的金属基复合材料如：碳/铝、碳/镁、碳化硅/铝、氧化铝/铜等，基体对增强材料浸润性差，有时根本不发生润湿现象。
3）按结构设计需求，使增强材料按所需方向均匀地分布于基体中也是金属基复合材料制造中的关键技术之一。
增强材料的种类较多，如短纤维、晶须、颗粒等，也有直径较粗的单丝，直径较细的纤维束等。
在尺寸形态、理化性能上也有很大差异，使其均匀地、或按设计强度的需要分布比较困难。
7、金属基复合材料的成形加工技术有哪些? 1）铸造成型，按增强材料和金属液体的混合方式不同可分为搅拌铸造成型、正压铸造成型、铸造成型。
2）塑性成形，包括铝基复合材料的拉伸塑性、金属基复合材料的高温压缩变形、铝基复合材料的轧制塑性、铝基复合材料的挤压塑性、金属基复合材料的蠕变性能、非连续增强金属基复合材料的超塑性（包括组织超塑性、相变超塑性、其他超塑性）。
3）连接，具体又可分为：应用于MMCs 的常规连接技术（包括熔融焊接、固相连接、钎焊、胶粘），新型MMCs 连接技术（包括等离子喷涂法、快速红外连接法(RIJ )），机械切削加工（包括5.4.1 SiCw/Al复合材料的切削加工、（Al3Zr+Al2O3）P/ZL101A原位复合材料的切削加工）。
8、金属基复合材料的各种界面结合机制？1）机械结合：基体与增强物之间纯粹靠机械连接的一种结合形式，由粗糙的增强物表面及基体的收缩产生的摩擦力完成；2）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而产生的一种结合形式；3）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而产生的一种结合形式；4）交换反应结合：基体与增强物之间，除发生化学反应在界面上形成化合物外，还有通过扩散发生元素交换的一种结合形式；5）氧化物结合：这种结合实际上是反应结合的一种特殊情况；6）混合结合：这种结合是最重要、最普遍的结合形式之一，因为在实际的复合材料中经常同时存在几种结合形式。
9、影响金属基复合材料性能的关键因素?损伤及失效机制？性能影响因素：基体影响、增强体影响、基体和增强体相容性的影响、工艺的影响、界面的影响。
金属基复合材料的损伤与失效通常包括三种形式：增强相的断裂导致的基体塑性失效，增强相和基体之间界面的脱开导致的基体塑性失效，基体内孔洞的成核、长大与汇合导致的基体塑性失效。
10、金属基复合材料的应用及发展趋势？制约其应用的关键问题？金属基复合材料自进入工业应用发展阶段以来，逐步拓宽了应用范围，大体有以下应用：1）在航天领域的应用：连续纤维增强金属基复合材料在航天器上的应用，铝基复合材料在导弹中的应用，铝基复合材料在航天领域的其他应用；2）在汽车工业上的应用：在内燃机方面的应用，在制动系统上的应用；3）在电子封装领域的应用。
其发展趋势集中在以下方面：完善非连续增强金属基复合材料体系，重点发展高性能低成本非连续增强金属基复合材料，开展非连续增强金属基复合材料制备科学基础和制备工艺方法研究，开展非连续增强金属基复合材料热处理技术的研究，开展非连续增强金属基复合材料高温塑性变形和高速超塑性研究，开展非连续增强金属基复合材料的机械加工研究，开展非连续增强金属基复合材料在不同环境下的行为研究，开展非连续增强金属基复合材料的连接技术研究。
有许多因素与金属基复合材料（MMCs ）的大规模应用相关联，原材料制备方法、二次加工、回收能力、质量控制技术等都制约着MMCs 的应用。
从MMCs 在汽车和航空、航天领域中的应用来看，应用成本是主要的制约因素，而增强体的成本高是造成复合材料应用成本居高不下的主要原因。
具体关键问题有：增强体的选择问题、生产数量、局部增强手段、二次加工性能、回收能力、质量控制体系。
11、什么是SHS法原位生成技术，举例说明其过程。
其基本原理是：将增强相的组分原料与金属粉末混合，压坯成型，在真空或惰性气氛中预热引燃，使组分之间发生放热化学反应，放出的热量、引起未反应的邻近部分继续反应，直至全部完成。
反应生成物即为增强相呈弥散分布于基体中，颗粒尺寸可达亚微米级。
其典型工艺为：利用合金熔体的高温引燃铸型中的固体SHS系，通过控制反应物和生成物的位置，在铸件表面形成复合涂层，它可使SHS材料合成与致密化、铸件的成形与表面涂层的制备同时完成。
潘复生等人将SHS技术和铸渗工艺相结合，制备了颗粒增强的铁基复合材料涂层。
在这种工艺中，SHS 过程使基体产生一定数量的增强颗粒，而随后的熔铸过程则利用高温金属液的流动，对SHS过程中易产生的孔隙进行充填，因此两个过程的综合作用下获得较为致密的复合材料。
12、什么是LSM法原位生成技术，举例说明其过程。
其基本原理是将含有Ti和B的盐类（如KBF4和K2TiF6）混合后，加入到高温的金属熔体中，在高温作用下，所加盐中的Ti和B就会被金属还原出来而在金属熔体中反应形成TiB2增强粒子，扒去不必要的的副产物，浇注冷却后即获得了原位TiB2增强的金属基复合材料。
13、金属基复合材料的界面优化和控制途径有哪些？1）对增强材料进项表面涂层处理：在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应阻挡层的作用；2）选择金属元素：改善基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应，尽量选择避免易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素；3）优化制备工艺和参数，金属基复合材料的界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应发应的有效途径。
14、汽车、摩托车的刹车盘原来采用铸铁材料，查找相关资料并结合你的思考，分析其工作条件和提出其性能要求，然后指出你选用或设计何种复合材料并说明，最后提出你的制备思路。
汽车、摩托车的刹车盘工作在高温、高压下，摩擦的条件下，磨损非常严重。
因此刹车盘应该具有耐磨、耐高温（良好的导热性）、抗疲劳性等性能。
综合其工作条件及满足其性能要求，我们可以选用颗粒增强型铝基复合材料。
选用的增强体颗粒是SiCP，制备方法为真空压力浸渍法。
因为颗粒增强铝，得到的材料具有耐一定的高温，耐磨，导热性好，抗疲劳性好的优点。
制备思路：同下图15、集成电路现在应用广泛，现在集成电路现在越来越来越高，功率越来越大，为保证其可靠性，查找相关资料并结合你的思考，分析其工作条件和提出其性能要求，然后指出你选用和设计何种复合材料并说明理由，最后提出你的制备思路。
集成电路长时间高负荷运转，因此本身处于较高温度条件下，因此需要寻找高导热系数的材料作为分装基材，但这种材料还需要同时满足与电路硅片及基绝缘陶瓷基板的热膨胀系数（CTE）相匹配的要求，否则会因热失配形成残余应力损害电路。
因此可以选用真空压力浸渍法进行了碳化硅颗粒增强铝封装器件。
基体是铝，增强颗粒是碳化硅。
这种铝基复合材料导热系数高，并且能与电路硅片和基绝缘陶瓷基板热膨胀系数相匹配，满足集成电路所需要的性能要求。
1.内生增强的金属基复合材料具有如下特点（第5页）：1）增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。
2）通过合理选择反应元素（或化合物）的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。
3）省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，因此，其工艺简单，成本较低。
4）从液态金属基体汇总原位形成增强体的工艺，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的近净成形构件。
5）在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。
2.金属基复合材料特性（第5页）：高比强度，高比模量良好的导电导热性能热膨胀系数小，尺寸稳定性好良好的高温性能耐磨性能好良好的疲劳性能和断裂韧度不吸潮，不老化，气密性好1.增强体的作用（第8页）增强体是金属基复合材料的重要组成部分，它起着提高金属基体的强度、模量、耐热性、耐磨性等性能的作用。
2.选择增强体的主要考虑因素（5个）（原则）（1）力学性能：杨氏模量和塑性强度；（2）物理性能：密度和热扩散系数；（3）几何特性：形貌和尺寸；（4）物理化学相容性；（5）成本因素。