一张图看懂金属基复合材料

在金属基复合材料中，增强相和基体界面存在一定的结合 力。在不同的界面结合受载时，如结合太弱，则材料强度 低；结合太强，则材料可能脆断，既降低强度，又降低塑 性。只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高塑性。
来源：金属基复合材料-赵玉涛-2007，机械工业出版社
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2015年全球金属基复合材料的市场规模为 326.9百万美元，预计2020年金属基复合 材料的市场规模为431.1百万美元。年复增 长率为5.7%。
全球金属基复合材料产业产值及预测/百万美元
250
200
150
2014
100
2015
2020
50
0
来源：BCC research, METAL MATRIX COMPOSITES: THE GLOBAL MARKET
160 140 120 100
80 60 40 20
0 北美
欧洲
亚太
南美
其他
2014 2015 2020
来源：BCC research, METAL MATRIX COMPOSITES: THE GLOBAL MARKET
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500.00 0.00
2014 2015 2020
来源：BCC research, METAL MATRIX COMPOSITES: THE GLOBAL MARKET
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企业分析及前景预测
0191 金属基复合材料的主要制造商
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。
工艺方法主要有：
• 扩散结合 • 粉末冶金 • 真空热压法
• 化学气相沉积 • 热喷涂 • 物理气相沉积
固态法
喷射与沉积法
• 铸造法 • 压铸法 • 半固态复合铸造 • 液态渗透 • 搅拌法 • 无压渗透法等
一张图看懂金属基复合材料
新材料在线
2016年08月
基础知识简介
01 金属基复合材料简介
金属基复合材料（Metal Matrix Composite， MMC）一般是以金属或合金为基体，以颗粒、 晶须或纤维形式的第二相组成的复合材料。
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
液态法
• 共晶合金定向凝固
• ...
法
• 直接金属氧化法
• 反应自生成法
原位复合法
...
来源：金属基复合材料-赵玉涛-2007，机械工业出版社
典型工艺之粉末冶金
粉末冶金是将金属粉末或非金属粉末（或金属 与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形 和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类 型制品的工艺技术。
20世纪 60年代
NASA制备出钨丝增强Cu基复 合材料，是纤维增强金属基复 合材料的研究起点
1978年
B/Al复合材料在哥伦比亚 航天飞机上应用
20世纪 80年代
在汽车、体育用品等领域得 到应用
90年代 后期
在电子产品领域得到应用
近年
功能和纳米金属基复合材料成 为研究热点
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粉末冶金具体工艺流程
粉末制备
粉末压制成型
烧结
后处理
特点：复合材料组织较均匀，材料性能较好。 缺点：工艺相对较复杂，压模等成本较高，大规模应用
受限。
典型工艺之真空热压法
真空热压法是在一定温度下，通过施加一定的 压力使两种材料形成界面结合，从而制备复合 材料的方法。
真空热压法具体工艺流程
来源：新材料在线整理
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金属基复合材料制造商主要有3A公司、3M 公司、复合金属技术公司（ Composite Metal Technology Plc ）、Cymat公司等 等。各公司2014年净销售额对比如下：
种类
3A 3M GKN集团 力拓矿业 ……
销售额（百万美元）
740.8 31,821 11,504.1 47,664
加热
保温加压
后处理
特点：材料相对致密，性能较好。 缺点：真空系统等成本高昂，大规模应用受限。
典型工艺之浸渗法
浸渗法是将熔融金属液浸入增强体骨架结构中， 从而获得金属复合材料的方法
浸渗法具体工艺流程
前处理
• 清洗 • 干燥等
浸渗
• 真空气压浸 渗
• 无压浸渗
后处理
• 清洗 • 热固化等
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
良好的高温性 能和耐磨性
来源：金属基复合材料-赵玉涛-2007，机械工业出版社
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
02 金属基复合材料的发展进程
美国人最早发明了金属基复合材料。
产业链分析
097 金属基复合材料的产业链结构
金属基复合材料的产业链分布较为广泛
上游 金属
增强体材料 工艺设备
中游
金属基复合材料
下游
汽车 军事、航天 电子、医疗等
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市场分析
098 全球金属基复合材料市场规模
特点：其工艺简单，成本较低。 缺点：由于某些金属液与增强体骨架之间的润湿性不良，
浸渗技术难度大。压力浸渗的压力系统复杂，限制了其 工业应用。
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06 金属基复合材料的界面
金属基复合材料的界面结合主要有三种： （1）机械结合；(2)浸润与溶解结合； (3) 化学反应结合。
0193 金属基复合材料行业发展趋势
未来一段时间内金属基复合材料的研发重点
不同基体和增强相复合效果、复合材料的设计 与性能；
增强相/基体的界面优化、界面设计； 制备工艺的研究改进，以提高复合材料的性能
和降低成本； 新型增强剂的研究开发； 复合材料的扩大应用。
由于良好的性能优势以及可调节的特点，未 来金属基复合材料的应用将会越来越广
金属基复合材料目前存在的主要要问题包括：
工艺技术复杂
• 无论是增强纤维的制造，还是与金属基体的 复合，都有自己的特殊制造工艺和专门生产 设备，技术难度大，效率低。
价格昂贵
• 由于工艺技术复杂，必然增加成本。
性能有待改进， 工艺尚需完善
• 金属基复合材料主要性能优越，但在横向冲 度、冲击韧性、加工性能等方面尚有不足。 加之工艺复杂不够稳定，性能的分散度大， 重复性较差。
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04 金属基复合材料的应用
金属基复合材料的应用
电子
汽车
军事
图片来源：网络
医疗航天
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05 金属基复合材料的制备工艺
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
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。
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09 全球金属基复合材料的产能分布
2015年全球金属基复合材料的产值约为 326.9百万美元，主要分布在亚太、北美、 欧洲等地区。
亚太为全球产能占比最大的地区，占全球 总产能的1/3。
全球金属基复合材料产能分布及预测/百万美元
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附则
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国内金属基复合材料制造企业较多，但起 步晚，技术基础薄弱，难以满足高端市场 需求。产品开发能力和工艺技术方面与国 外同行仍然存在较大差距。
来源：BCC research
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0192 金属基复合材料存在的问题
03 金属基复合材料的分类
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
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设计与使用经验 不足
• 金属基复合材料是一种完全不同于普通金属 的新颖材料，由于发展时间尚短，性能数据 还不充分，它的断裂机理和设计准则与常规 材料有很大差异。
来源：于琨 金属基复合材料现状与存在的问题 2011
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