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一文看懂金屬基復(fù)合材料

2018-07-10 13:59:40 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材易通分享至：

01 概述

金屬基復(fù)合材料是以第二相為增強(qiáng)材料，金屬或合金為基體材料制備而成的復(fù)合材料。

02 特點(diǎn)

高比強(qiáng)度、高比模量

導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能

熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定好

良好地高溫性

能耐磨性好

疲勞性能和斷裂韌度好

性能再現(xiàn)性及可加工性好

不吸潮、不老化、氣密性好

03 增強(qiáng)體材料

用于金屬基復(fù)合材料的典型增強(qiáng)體

04增強(qiáng)體特性

作為金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體應(yīng)具有以下基本特性：

能明顯提高金屬基某種所需特性的性能：如高的比強(qiáng)度、比模量、高導(dǎo)熱性、耐熱性、耐磨性、低熱膨脹性等。

良好地化學(xué)穩(wěn)定性：在金屬基復(fù)合材料制備和使用過(guò)程中其組織結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生明顯地變化和退化，與金屬基體有良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。

與金屬有良好地潤(rùn)濕性：通過(guò)表面處理能與金屬基體良好潤(rùn)濕、復(fù)合和分布均勻。

05 增強(qiáng)體基本物性參數(shù)

典型顆粒物增強(qiáng)體的物性參數(shù)

典型晶須增強(qiáng)體的物性參數(shù)

典型纖維增強(qiáng)體的物性參數(shù)

06 增強(qiáng)體其他性質(zhì)

新一代電子封裝材料的研發(fā)主要以高熱導(dǎo)率的碳納米管。金剛石。高定向熱解石墨作為增強(qiáng)相，可忘獲得高導(dǎo)熱、低膨脹、低密度的理想電子封裝材料。

07 金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)思路

金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一體化模擬設(shè)計(jì)與制造流程

08 金屬基體的選擇原則

金屬基復(fù)合材料構(gòu)（零）件的使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)。

金屬基復(fù)合材料有連續(xù)增強(qiáng)和非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，由于增強(qiáng)物的性質(zhì)和增強(qiáng)機(jī)制的不同，在基體材料的選擇原則上有很大差別。

在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主，基體本身應(yīng)與纖維有良好的相容性和塑性。

對(duì)于非連續(xù)增強(qiáng)（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復(fù)合材料，基體的強(qiáng)度對(duì)非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有決定的影響。

在金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程中金屬基體與增強(qiáng)物在高溫復(fù)合過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)，基體金屬中往住含有不同類(lèi)型的合金元素，這些合金元素與增強(qiáng)物的反應(yīng)程度不同，反應(yīng)后生成的反應(yīng)產(chǎn)物也不同，需在選用基體合金成分時(shí)充分考慮，盡可能選擇既有利于金屬與增強(qiáng)物浸潤(rùn)復(fù)合，又有利于形成合適穩(wěn)定的界面的合金元素。

09 金屬基復(fù)合材料制造的關(guān)鍵性技術(shù)

10 金屬基復(fù)合材料制備工藝

11 金屬基復(fù)合材料工藝與選材

12 金屬基復(fù)合材料制備工藝流程

粉末冶金法工藝流程圖

成品：SiCp/Al、SiCW/Al、Al2O3/Al、TiB2/Ti等金屬基復(fù)合材料零部件、板材或錠坯等

熱壓法工藝流程圖

成品：鎢絲－超合金、鎢絲－銅

熱等靜壓法工藝流程圖

成品：B/Al、SiC/Ti 管材

真空壓力浸漬技術(shù)的工藝流程圖

成品C/Al、C/Cu、C/Mg、SiCp/Al、SiCW+SiCp/Al 等復(fù)合材料零部件、板材、錠坯等

擠壓鑄造工藝流程圖

成品：SiCp/Al、SiCW/Al、C/Al、C/Mg、Al2O3/Al、SiO2/Al 等復(fù)合材料及其零部件、板材和錠坯等。

共噴沉積工藝流程圖

可用于鋁、銅、鎳、鈷等有色金屬基體，也可用于鐵、金屬間化合物基體；可加入SiC、Al2O3、TiC、Cr2O3、石墨等多種顆粒；產(chǎn)品可以是圓棒、圓錠、板帶、管材等

自蔓延高溫合成法工藝流程圖

成品：AlB12/Ti、Al2O3-TiAl3/Al等鋁基復(fù)合材料

放熱彌散法法工藝流程圖

成品：TiC/A1、TiB2/Al、TiB2/Al-Li 等鋁基復(fù)合材料

13 金屬基復(fù)合材料的界面

機(jī)械結(jié)合：由粗糙的增強(qiáng)物表面及基體的收縮產(chǎn)生的摩擦力完成；

溶解和潤(rùn)濕結(jié)合：基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生潤(rùn)濕，并伴隨一定程度的相互溶解；

反應(yīng)結(jié)合：基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成化合物面產(chǎn)生的一種結(jié)合形式；

交換反應(yīng)結(jié)合：基體與增強(qiáng)物之間通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生元素交換的一種結(jié)合形式；

混合結(jié)合：多種結(jié)合方式組合。

14 金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用

MMCs市場(chǎng)可細(xì)分為陸上運(yùn)輸、電子/熱控、航空航天、工業(yè)、消費(fèi)產(chǎn)品等5個(gè)部分。

金屬基復(fù)合材料全球市場(chǎng)

陸上運(yùn)輸領(lǐng)域

對(duì)于成本極端計(jì)較的汽車(chē)市場(chǎng)，唯一能接受的只有鋁基MMCs。MMCs主要用于耐熱耐磨的發(fā)動(dòng)機(jī)和剎車(chē)部分（如活塞、缸套、剎車(chē)盤(pán)和剎車(chē)鼓），或用于需要高強(qiáng)度模量運(yùn)動(dòng)部件（如驅(qū)動(dòng)軸、連桿）。

在陸上運(yùn)輸領(lǐng)域消耗的MMCs中驅(qū)動(dòng)軸的用量超過(guò)50%，汽車(chē)和列車(chē)剎車(chē)件的用量超過(guò)30%。

汽車(chē)剎車(chē)鼓和剎車(chē)碟（a）火車(chē)轉(zhuǎn)向架及剎車(chē)盤(pán)（b）

電子/熱控領(lǐng)域

如果以產(chǎn)值排序，高產(chǎn)品附加值的電子/熱控領(lǐng)域是第一大MMCs市場(chǎng)，產(chǎn)值比例超過(guò)60%。

以SiCp/Al復(fù)合材料為代表的第二代熱管理材料主要用作微處理器蓋板/熱沉、倒裝焊蓋板、微波及光電器件外殼/基座、高功率襯底、IGBT基板、柱狀散熱鰭片等。其中，無(wú)線通訊與雷達(dá)系統(tǒng)中的視頻與微波器件封裝構(gòu)成其最大的應(yīng)用領(lǐng)域，其第二大應(yīng)用領(lǐng)域則是高端微處理器的各種熱管理組件。

SiCp/Al 微處理器蓋板（a）

SiCp/Al 光電封裝基座（b）

航空航天領(lǐng)域

航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最多的是鋁基和鈦基復(fù)合材料。

鋁基MMCs應(yīng)用包括風(fēng)扇導(dǎo)向葉片、武器掛架、液壓系統(tǒng)分路閥箱等，SiC鋁基MMCs應(yīng)用于波導(dǎo)天線、支撐框架及配件、熱沉等。

鈦基MMCs應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的接力器活塞。

F-16的腹鰭采用金屬基復(fù)合材料

其他領(lǐng)域

B4Cp/Al MMCs用于廢核燃料貯存貯存水池（（a），貯存桶（b）

輸電線路用金屬基復(fù)合材料

15 金屬基復(fù)合材料研究前沿

金屬基復(fù)合材料的性能不僅取決于基體和增強(qiáng)體的種類(lèi)和配比，更取決于增強(qiáng)體在基體中的空間配置模式（形狀、尺寸、連接形式和對(duì)稱(chēng)性）。從中間或介觀尺度上人為調(diào)控的有序非均勻分布更有利于發(fā)揮設(shè)計(jì)自己有毒，從而進(jìn)一步發(fā)掘MMCs的性能潛力、實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的最優(yōu)配置。

多元/多尺度MMCs

通過(guò)引入不同種類(lèi)、不同形態(tài)、不同尺度的增強(qiáng)相，利用多遠(yuǎn)增強(qiáng)體本身物性參數(shù)不同，通過(guò)相與相、以及相界面與界面之間的耦合作用，呈現(xiàn)出比單一增強(qiáng)相復(fù)合條件下更好的優(yōu)越性能。

微結(jié)構(gòu)韌化MMCs

通過(guò)將非連續(xù)增強(qiáng)MMCs分化區(qū)隔為增強(qiáng)體顆粒富集區(qū)（脆性）和一定數(shù)量、一定尺寸、不含增強(qiáng)體基體區(qū)（韌性），這些純基體區(qū)域作為韌化相將會(huì)具有阻止裂紋擴(kuò)展，吸收能力的作用，從而使MMCs的損傷容限得到提高。

層狀MMCs

受自然生物疊層結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)、韌最佳配合的啟發(fā)，韌脆交替的微疊層MMCs研究受到關(guān)注。通過(guò)微疊層來(lái)補(bǔ)償單層材料內(nèi)在性能的不足，以滿(mǎn)足各種各樣的特殊應(yīng)用需求，如耐高溫材料、硬度材料、熱障涂層材料等。

泡沫MMCs

多孔金屬泡沫具有多孔、減振、阻尼、吸音、散熱、吸收熱沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能，可通過(guò)對(duì)其引入粘彈性體、吸波涂料等功能組分達(dá)到多功能化的需求。

雙連續(xù)/互穿網(wǎng)絡(luò)MMCs

雙連續(xù)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使增強(qiáng)體在基體合金中稱(chēng)為連續(xù)的三維骨架結(jié)構(gòu)，可更有效地發(fā)揮陶瓷增強(qiáng)體的剛度、低膨脹等特性。

16 標(biāo)準(zhǔn)

目前我們MMCs的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重缺失，MMCs的標(biāo)準(zhǔn)化工作大大落后于美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，也滯后于我國(guó)MMCs技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。