金屬基複合材料的性能特點
01金屬基複合材料的性能
與傳統金屬材料相比，MMC具有較高的比強度、比剛度和耐磨性；與樹脂基複合材料相比，MMC具有優良的導電、導熱性，高溫性能好，可焊接；與陶瓷基複合材料相比，MMC具有高韌性、高衝擊性能、線膨脹係數小的特點。實用的MMC應表現出低的密度和能與當前工程材料相比的力學性能。幾種典型的金屬基複合材料的力學性能列於表1中。
表1 金屬基複合材料的典型力學性能
金屬基複合材料的優異性能是多方面的，增強體使MMC的屈服強度和抗拉強度大幅度提高。MMC有良好的高溫性能，如高的蠕變抗力。這在長纖維強化MMC中表現尤為突出。在金屬基體中加入不同的增強體後，大大提高了材料的耐磨性，磨損率可降低一個數量級。MMC加入的增強體的密度低，因而材料的密度可顯著降低。利用陶瓷的線膨脹係數，使用它為增強體，可用來調節MMC的線膨脹係數，從而獲得與多種材料相匹配的複合材料。
金屬基複合材料的性能除了與增強材料成分、形態、體積分數及基體合金成分有關外，還與界面組織結構密切相關，而界面組織結構與製備工藝，增強體表面處理工藝等有關。按照增強原理不同，可將金屬基複合材料分為連續纖維增強和非連續增強兩大類。
在連續增強金屬基複合材料中，增強纖維主要有硼纖維、碳纖維（石墨纖維）、纖維、
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纖維等，基體主要有鋁、鎂、鈦、銅、鎳及它們的合金。幾種典型連續增強金屬基複合材料的性能見表。可見，纖維連續增強複合材料的性能具有各向異性，縱向明顯高於橫向；複合材料的縱向強度、模量顯著高於基體合金。另外，很多資料表明沿纖維方向（縱向）加拉伸載荷的連續纖維增強金屬基複合材料的疲勞抗力優於未增強的基體合金，使疲勞極限一般可成倍增加。合金的抗蠕變性能往往可因連續纖維的加入而大大改善。在這方面的典型例子是碳化矽連續纖維增強鈦基複合材料在航空渦輪發動機上的應用，以此來彌補鈦合金蠕變抗力低的缺陷。由於低膨脹纖維的加入，複合材料的線膨脹係數顯著減小，典型的例子就是Gr/Mg在哈勃太空望遠鏡天線支撐杆的應用，使得在反覆出入日照的條件下保持尺寸穩定件。
表2 連續纖維增強金屬基複合材料的力學性能（縱向）
短纖維的增強效果介於顆粒和連續纖維之間。由於短纖維的性能明顯低於晶須，尺寸明顯大於晶須，所以短纖維的增強效果不如晶須的增強效果。短纖維增強金屬基複合材料的製備方法主要有粉末冶金法、壓力浸滲法、擠壓鑄造法等。
短纖維增強鋁基複合材料是目前研究最多的。氧化鋁短纖維增強鋁基複合材料的室溫拉伸強度與基體合金相比提高不太明顯（表3），但它們的高溫強度保持率明顯優於基體，彈性模量在室溫和高溫都有較大的提高，熱膨脹係數有所降低（表4），耐磨性能得到改善（圖5）。
表3 多晶氧化鋁纖維增強鋁基複合材料的室溫及高溫性能
表4 氧化鋁纖維增強鋁基複合材料的熱膨脹係數和熱導率
圖5 氧化鋁纖維增強鋁基複合材料的磨損性能
及與基體和高鎳耐磨鑄鐵的比較
另外，採用擠壓鑄造法製備的
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短纖維增強鋅基複合材料具有明顯的強化效果，其高溫力學性能和耐磨性能得到了顯著提高。未經增強鎂合金的性能在以上便顯著降低，加入增強體後可顯著改進基體合金的高溫性能。
晶須增強金屬的試驗最早採用的是
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晶須，但由於其成本高，而且要使晶須在金屬基體中均勻分布也較困難，因而發展不快。但廉價的晶須的加入，明顯提高了複合材料的彈性模量和強度，引起了晶須增強金屬研究的發展。用來增強的基體主要是、及其合金。
①晶須增強鋁基複合材料
w
複合材料的性能見表、表，
w
複合材料強度與
w
體積分數之間的關係見圖，
w
複合材料強度、彈性模量與溫度的關係見圖和圖。可見，與基體合金相比，複合材料的強度、模量都有顯著提高，且高溫性能優良，但密度稍有增加。複合材料的強度隨晶須的體積分數的增加而增加，而且其性能與製備工藝方法及參數也有很大關係。
表6 SiC
w
/60614Al複合材料性能
表7 壓鑄法製備SiC
w
/Al複合材料拉伸強度
圖6 SiC
w
/Al複合材料抗拉強度與V
f
的關係
1-206.7MPa；2-137.8MPa；3-68.9MPa；4-大氣中鑄造
圖7 SiC
w
/2024Al複合材料σ-T關係
圖8 SiC
w
/2024Al複合材料E-T關係
②晶須增強鎂基複合材料
w
複合材料的性能見表。與基體合金相比。
w
複合材料的拉伸強度、屈服強度、彈性模量均大大提高，從而複合材料具有更高的比強度和比模量。
表8 SiC
w
/ZK60A鎂基複合材料與基體合金性能的比較
02金屬基複合材料的特性
金屬基複合材料的性能取決於所選用金屬或合金基體和增強體的特性、含量、分布等。通過優化組合，不僅可以獲得基體金屬或合金具備的良好的導熱、導電性能，抗苛刻環境能力，抗衝擊、抗疲勞性能和斷裂性能，還可以具有高強度、高剛度，出色的耐磨性能和更低的熱膨脹係數(CTE)。綜合歸納金屬基複合材料的特性如下。
由於在金屬基體中加入了適量的高強度、高模量、低密度的纖維、晶須、顆粒等增強體，明顯提高了複合材料的比強度和比模量，特別是高性能連續纖維硼纖維、碳（石墨）纖維、碳化矽纖維等增強物，具有很高的強度和模量。密度只有
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的碳纖維的最高強度可達到，比鋁合金強度高出倍以上，石墨纖維的模量為。硼纖維密度為
3
，強度為，模量為。碳化矽纖維密度為
3
，強度為，模量為。加入的高性能纖維作為複合材料的主要承載體，複合材料的比強度、比模量成倍地高於基體合金的比強度和比模量。圖所示為典型的金屬基複合材料與基體合金性能的比較。用高比強度、高比模量複合材料製成的構件質量輕、剛性好、強度高，是航天、航空技術領域中理想的結構材料。
圖2 典型金屬基複合材料與基體合金性能的比較
金屬基複合材料中所用的增強物碳纖維、碳化矽纖維、晶須、顆粒、硼纖維等既具有很小的熱膨脹係數，又具有很高的模量，特別是高模量、超高模量的石墨纖維具有負的熱膨脹係數。加入相當含量的增強體不僅大幅度提高材料的強度和模量，也使其熱膨脹係數明顯下降並可通過調整增強體的含量獲得不同的熱膨脹係數，以滿足各種工況要求。例如，石墨纖維增強鎂基複合材料，當石墨纖維的體積分數達到48％時，複合材料的熱膨脹係數為零，即在溫度變化時使用這種複合材料做成的零件不發生熱變形，這對人造衛星構件特別重要。通過選擇不同的基體金屬和增強體，以一定的比例複合在一起，可得到導熱性好、熱膨脹係數小、尺寸穩定性好的金屬基複合材料。圖3所示為一些典型金屬基複合材料和金屬材料的尺寸穩定性和比模量。可見，石墨／鎂複合材料具有最高的尺寸穩定性和最高的比模量。
圖3 幾種典型材料的尺寸穩定性和比模量
由於金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，增強纖維、晶須、顆粒在高溫下又都具有很高的高溫強度和模量。因此金屬基複合材料具有比基體金屬更高的高溫性能，特別是連續纖維增強金屬基複合材料。在複合材料中纖維起著主要承載作用，纖維強度在高溫下基本上不下降，可保持到接近金屬熔點，並比金屬基體的高溫性能高許多。如鎢絲增強耐熱合金，其1100℃,100h高溫持久強度為207MPa，而基體合金的高溫持久強度只有48MPa；又如石墨纖維增強鋁基複合材料，在500℃高溫下仍具有600MPa的高溫強度，而鋁基體在300℃強度已下降到100MPa以下。因此金屬基複合材料被選用在發動機等高溫零部件上，可大幅度提高發動機的性能和效率。總之，金屬基複合材料做成的零構件比金屬材料、聚合物基複合材料零件能在更高的溫度條件下使用。
轉載：材易通