第五章 金属基复合材料(MMC)

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1、第五章金属基复合材料（MMC)MMC的起源MMC的定义与分类各类MCC特点简介MMC制备工艺MMC界面典型MMC性能与应用MMC的起源与发展20世纪60年代，美苏在宇宙空间开展竞争导致航空航天技术发展而产生。最早是硼纤维增强铝基复合材料的成功使用，接着是在70年代中期，碳（石墨）纤维增强铝基复合材料研制及应用取得了较大进展，其后各种不同金属基体、不同类型和增强形态的增强材料以及多种增强形式的金属基复合材料不断发展，逐渐形成了金属基复合材料体系，80年代后，为解决金属基复合材料制备成本高难以广泛应用，各种新制备技术用于颗粒和晶须增强金属基复合材料

2、，使复合材料成本不断下降，在民用方面如汽车行业等逐步获得应用，进而促进了金属基复合材料的发展。MMC的起源与发展（续)现代科学技术的飞速发展，对材料的要求越来越高。对于结构材料，不单要求强度高，还要求其重量要轻，在航空航天领域尤其如此。金属基复合材料正是为了满足这些要求而诞生的。与传统的金属材料相比，它具有较高的比强度和比刚度，而相对于树脂基复合材料，它具有优良的导电性与耐热性、与陶瓷材料相比，它又具有高的韧性和高的冲击性能。这些优良的性能决定了它从诞生之日起就成了新材料家族中的重要一员。MMC的起源与发展（续）图1为采用硼纤维增强铝基复合材料

3、代替铝合金制造的航天飞机主舱体的主龙骨支柱，减轻重量大145公斤，效果显著。MMC的定义与分类金属基复合材料（MetalMatrixComposites,MMC）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。金属基复合材料按基体分类可分为铝基复合材料、镁基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料等。金属基复合材料也可按增强体来分类，可分为颗粒增强复合材料、层状复合树料、纤维增强复合材料等。各类MMC简介常用的不同基体金属基复合材料简介铝基复合材料是金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝合金系体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧件，

4、再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。由于与纯铝相比铝合金具有更好的综合性能，在制造铝基复合材料时通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金，在实际中，通常是根据对复合材料的性能需要来选取不同的铝合金做基体。镁基复合材料的基体主要有AZ3l(Mg-3Al-1Zn)、AZ61(Mg-6Al-1Zn)、ZK60(Mg-6Zn-Zr)以及AZ91(Mg-9A1-1Zn)等。由于镁及其合金具有比铝更低的密度、具有较好阻尼性能，在航空航天和汽车工业应用中具有较大潜力。大多数镁基复合材料为颗粒与晶须增强，如SiCp

5、或SiCw／Mg和B4Cp.A1203p／Mg。此外，石墨纤维增强镁基复合材料，与碳纤维、石墨纤维增强铝相比，密度和热膨胀系数更低，强度和模量也较低，但具有很高的导热／热膨胀比值，在温度变化环境中，是一种尺寸稳定性极好的宇宙空间材料。各类MMC简介（续）镍基复合材料是以镍及镍合金为系体制造的。这种复合材料主要是用于制造发动机上工作的零部件，因为镍具有优良的高温性能，人们研制镍基复合材料的一个重要目的是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温度。但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未很好的解决，所以还未能取得满意的结果。钛基复合

6、材料具有比任何其它的结构材更高的比强度，而且钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。因而对飞机结构件来说，当速度从亚音速提高到超音速时、钛比铝合金显示出了更大的优越性。随着速度的进一步加快，飞机的结构设计上趋向采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而纤维增强钛将可满足这种对材料刚度的要求。除上述外，还有铜基、锌基和金属间化合物基复合材料等。各类MMC简介（续）各种不同增强体增强的MCC颗粒增强MCC指增强体为颗粒形态的金属基复合材料，一般它是指弥散的硬质增强相的体积超过20％的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。硬

7、质增强相造成的对基体的束缚作用能阻止基体屈服。颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但基体性能也很重要。这种材料的性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分敏感。新的制备技术发展，这类复合材料也包括增强颗粒尺寸和基体晶粒达纳米尺度的金属基复合材料。各类MMC简介（续）层状复合材料指在韧性和成型性较好的金属基体材料中含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。由于片层的间距是微观的，材料从其结构组元看，可以认为是各向异性的和均匀的，是一种结构复合材料。对于层状复合材料的强度，其和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小

8、尺寸增强物的性能差别较大。因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。层状结构复合材料的强