金屬基復合材料具有高的比強度、比模量、耐高溫、耐磨損以及熱膨脹系數小、尺寸穩定性好等優異的物理性能和力學性能，克服了樹脂基復合材料在宇航領域中使用時存在的缺點，得到了令人矚目的發展，成為各國高新技術研究開發的重要領域。除力學性能優異外，還具有某些特殊性能和良好的綜合性能，應用范圍廣。此外，金屬基復合材料品種繁多，有各種分類方式，以下從基體、增強體以及用途三方面進行分類。

金屬基復合材料的性能取決于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，抗沖擊、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系數(CTE)。

由于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，明顯提高了復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、碳化硅纖維等增強物，具有很高的強度和模量。密度只有1.85g/cm³的碳纖維的最高強度可達到7000MPa；硼纖維密度為2.4-2.6g/cm³，強度為2300-8000MPa，模量為350-450GPa。碳化硅纖維密度為2.5-3.4g/cm³，強度為3000-4500MPa，模量為350-450GPa。圖1所示為典型的金屬基復合材料與基體合金性能的比較。用高比強度、高比模量復合材料制成的構件質量輕、剛性好、強度高，是航天、航空技術領域中理想的結構材料。

圖1 典型金屬基復合材料與基體合金性能的比較

圖2 不同材料的比強度隨溫度的變化趨勢

金屬基復合材料中金屬基體占有很高的體積分數，一般在60％以上，因此仍保持金屬所特有的良好導熱和導電性，減小構件受熱后產生的溫度梯度和迅速散熱。在金屬基復合材料中采用高導熱性的增強體還可以進一步提高金屬基復合材料的熱導率，使復合材料的熱導率比純金屬基體還高。

金屬基復合材料中所用的增強物碳纖維、碳化硅纖維、晶須、顆粒、硼纖維等既具有很小的熱膨脹系數，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系數。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，也使其熱膨脹系數明顯下降并可通過調整增強體的含量獲得不同的熱膨脹系數，以滿足各種工況要求。圖3所示為一些典型金屬基復合材料和金屬材料的尺寸穩定性和比模量。可見，石墨／鎂復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

由于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。因此金屬基復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復合材料。因此金屬基復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，金屬基復合材料做成的零構件比金屬材料、聚合物基復合材料零件能在更高的溫度條件下使用。

金屬基復合材料，尤其是陶瓷纖維、晶須、顆粒增強的金屬基復合材料具有很好的耐磨性。這是因為在基體金屬中加入了大量的陶瓷增強體，特別是細小的陶瓷顆粒所致。陶瓷材料硬度高、耐磨、化學性質穩定，用它們來增強金屬不僅提高了材料的強度和剛度，也提高了復合材料的硬度和耐磨性。圖4是碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的耐磨性與基體材料和鑄鐵耐磨性的比較，可見SiC_p/Al復合材料的耐磨性比鑄鐵還好，比基體金屬高出幾倍。

圖4 SiC_p/Al復合材料與鑄鐵、基體金屬耐磨性比較

金屬基復合材料的疲勞性能和斷裂韌度取決于纖維等增強體與金屬基體的界面結合狀態，增強體在金屬基體中的分布以及金屬、增強體本身的特性，特別是界面狀態。最佳的界面結合狀態既可有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴展，提高材料的斷裂韌度。據美國宇航公司報道C/Al復合材料的疲勞強度與抗拉強度比為0.7左右。

與聚合物相比，金屬性質穩定、組織致密，不存在老化、分解、吸潮等問題，也不會發生性能的自然退化，這比聚合物基復合材料優越，在空間使用也不會分解出低分子物質污染儀器和環境，有明顯的優越性。

MMCs成形方式多，變形特性優越，可有效借助目前成熟的各種金屬材料加工工藝及設備實現金屬及復合材料二次加工。

碳化硅／鋁 （sic／AI） 復合材料是以鋁或鋁合金為基體，以碳化硅顆粒或晶須為增強相的一種復合材料，具有憂異的物理和力學性能，如高比強度、高比模量、低膨脹系數、耐磨、耐高溫、良好的熱穩定性和阻尼性能等。其制備工藝簡單、成本低，適于批量生產，且可用常規金屬加工方法，如鑄造、擠壓、軋制、鍛造、焊接等制造各種形狀的零件和型材，因而成為金屬基復合材料發展的主要方向，也是目前應用最廣、發展最快、價格最低、能最早實現大規模生產的一種金屬基復合材料。

按照碳化硅增強體的形態不同， 碳化硅／鋁基復合材料 分為碳化硅晶須（SiCw）和碳化硅顆粒（SiCp）增強鋁基復合材料。

SiCw：價格較高，但其增強鋁基復合材料的強度和韌性比較好；主要制備方法有粉末冶金法和擠壓鑄造法；

SiCp：不規則形狀的近球形尖角顆粒，價格低，用其增強的鋁基復合材料彈性模量和耐磨性都很高，但強度和塑性偏低；主要制備工藝可采用粉末冶金、攪拌鑄造、無壓浸滲、噴射共沉積、原位自生等多種方法。

圖5 a）SiCw晶須掃描電鏡照片；b）SiCp掃描電鏡照片

國際上圍繞影響復合質量的SiC增強體與AI合金基體之間界面結合、顆粒分布均勻性及組織與缺陷的控制等關鍵共性問題開展了大量系統的復合制備技術專門研究，形成了以制備高性 能碳化硅／鋁復合材料的粉末冶金法、低成本的攪拌鑄造法、高體積分數復合材料的浸滲法為代表的性能可控、強化作用顯著的復合制備方法，并在工業上根據使用需求得到了不同程度的應用。表1給出了與制備方法相應的材料的性能特點及應用場合，表2總結了國外不同公司制備的復合材料的性能。

表1 四種主要 SiC／Al復合材料工程化制備技術的特點與應用情況

表2 國外SiCp／AI復合材料性能

國內以SiCp／AI復合材料體系為主，圍繞界面與組織控制、顆粒分布均勻性等關鍵問題，開發了粉末冶金、攪拌鑄造、壓 力浸滲和無壓浸滲等制備方法，制備的復合材料性能達到了國際先進水平。其中，采用粉末冶金技術制備的高強高韌SiCp增強鋁基復合材料顯著的綜合性能優勢使其成為替代鋁合金、 鈦合金及樹脂基復合材料，滿足航空航天飛行器、微電子器件輕量化、高性能化需求的關鍵材料。表3為北京有色金屬研究總院采用粉末冶金工藝制備的15％～70％ SiCp／AI復合材料的性能，部分材料的微觀組織如圖6所示。

表3 國產 SiCp／AI復合材料的性能

圖6 粉末冶金工藝制備的SiCp／AI復合材料的組織

SIC／Al復合材料相比于其他金屬材料，具有低的密度、高的比強度和比剛度、優異的熱導率和低的熱膨脹系數，使其在航天飛行器的減重和高性能化方面具有顯著的競爭優勢。研究表明，復合材料的可設計性，可以使 SiC／Al基復合材料的比剛度（35～40 GPa／（g·cm-3））遠高于包括鋁合金、鈦合金、鎂合金、鎳基高溫合金及鋼等傳統結構材料（這些材料的比剛度為 （25～32 GPa／（g·cm-3）），介于纖維樹脂基復合材料縱向與橫向性能之間，所以，高性能 SiC／Al復合材料是實現先進航天飛行器輕量化的理想材料。

圖7 鋁基復合材料與其他材料的性能對比

表4列出了具有代表性的 SiC／Al復合材料與常規材料的性能對比。

要實現 SiC／Al復合材料在特定場合的應用，需要對復合材料坯錠進行二次塑性加工，才能獲得要求規格尺寸和外形的典型航天器構件，由于15％-25％SiCp復合材料具有較高的韌塑性，可以通過鍛造、擠壓、軋制、旋壓等二次加工獲得復合材料構件。在塑性加工時，為了獲得具有優異組織性能的構件，除了需要控制好塑性加工工藝參數外，還需要選用合理的工裝模具。

表5 不同SiC顆粒含量增強AI基復合材料的延伸率和斷裂韌性

硅顆粒增強鋁基復合材料是20世紀材料技術創新研發的高性能金屬基復合材料。80年代由于軍事應用的需求，該項材料技術研究在美國、歐洲、日本及俄羅斯等國家得到了快速發展。Si／Al封裝材料優異的綜合性能是依靠在傳統Al-Si合金基礎上大幅度提高 Si含量實現的，如 T / R 組件殼體的Si含量要達到 50%的水平 

Si/Al復合材料的制備技術主要有三種 :粉末注射成形技術、噴射成形技術和粉末冶金技術。

1)粉末注射成形技術

工藝過程：Si粉末和 Al粉末混合均勻與一定比例的膠黏劑混煉，然后注射成形、形成殼體形狀，隨后進行低溫脫脂燒結，再進行高溫無壓燒結致密化，獲得殼體毛坯件 。

優點：制備效率高、成本低 ，日產幾千到上萬件中小尺寸零件毛坯件 。

缺點：高溫無壓燒結很難消除內部孔隙 ，材料制備過程添加的膠黏劑會在材料中殘留碳和有機物，在 產品應用中材料內部會出現放氣現象，只能用于力學性能要求較低、沒有氣密性要求的小尺寸零件 。

2）噴射成形技術

工藝過程：首先熔煉AI-Si合金，然后將合金熔體通過非限制式噴嘴，利用高速氮氣流擊碎并冷卻熔融的金屬液流，在霧化粉末還沒有完全凝固時，將其沉積在旋轉下拉的接收基板上，獲得形狀比較規則、相對致密度在95 %左右的沉積坯錠。隨后，機加工去除頭尾和表面疏松層，進行熱等靜壓致密化處理，獲得成品坯錠。

優點：流程短 、效率高

缺點：材料內部存在無法消除的氣孔和疏松缺陷，嚴重影響坯錠質量一致性及制品性能可靠性 ;材料成分難以準確控制，性能偏差大 ，一致性不好 ;不能制備大規格坯錠。

3）粉末冶金技術

工藝過程：Si粉末和 Al粉末混合、冷等靜壓成形、加熱除氣、熱等靜壓致密化獲得成品坯錠，機加工制成相關零件制品。

優點：材料完全致密、無氣孔、氣密性高，材料成分配方精準 (成分偏差小于士1%)，性能質量一致性好，成品率高，相應制品的可靠性好 ，可用于各類T/R組件及各種功率器件封裝殼體。

缺點：粉末冶金工藝流程長，容易帶入夾雜物，工藝控制要求較高。

硅顆粒增強鋁基復合材料以Si顆粒作為增強體，與 SiC顆粒相比，其硬度和強度都低一半以上，直接強化作用并不顯著，Si/Al復合材料作為承力件使用并沒有優勢。多數情況下 ，Si顆粒充當功能體的角色，起到降低熱膨脹系數、提高熱導率和彈性模量的作用，并且 Si顆粒硬度較低，易于機加工，適于進行儀表級精密加工;材料還具備良好的表面涂覆工藝性、激光焊接工藝性。

Si/AI復合材料應用于航天功能結構件時，不僅要求低膨脹和高導熱，還要求材料具有較高的強度和適當的韌性，通過添加 Cu、Mg等合金元素可以獲得較為明顯的強化效果， 復合材料的強度可提高 20 % ~ 50 %以上，通過精細控制Si顆粒的形態可以進一步改善韌性。功能結構件用 Si/Al復合材料的典型性能見表6.

采用粉末冶金技術生產的Si/Al復合材料的性能全面達到國外 CE合金的性能水平，其中，材料的強度甚至超過了CE合金。Si/Al復合材料不僅具備優異的力學、熱學綜合性能，還具 有 良 好 的 機 加 工 工 藝 性 、 鍍 涂 工 藝 性 和 較 高 的 激 光 焊 接 氣 密 性 。

表7 電子封裝用Si/Al復合材料的典型性能

相比于Diamond／Cu復合材料，Diamond／AI復合材料的研究和應用工作均開展較少。復合材料性能研究方面，早期研究的 Diamond／AI復合材料熱導率并未像想象中的高，甚至得到了比鋁合金還低的熱導率，其主要原因在于金剛石顆粒與鋁基體之間傳熱較差。后續經過工藝的改進，Diamond／AI 復合材料的熱學性能有了很大提，美國 MaterialsandElectrochemicalResearch公司開發的 Diamond／AI復合材料，鋁合金里中添加了70 ％的工業級金剛石顆粒 ，熱導率大約達到了 60 W／（m ·K）的水平；日本有報道采用放電等離子體燒結方法制備摻雜Si的Diamond／AI復合材料 ，致密度為99％，熱導率達到了552w／（m·K）。國內對AI／Diamond的研究仍處于起步階段，如北京科技大學采用放電等離子體快速燒結制備 Diamond／AI 復合材料，熱導率僅為 325W／（m ·K）；西北工業大學采用真空蒸發法在金剛石表面鍍鈦，并用鋁與 50 ％的鍍鈦金剛石進行氣壓熔滲制備出復合材料，熱膨脹系數為 5.07 X10-6K-1，符合電子封裝需要。

Diamond／Al復合材料的密度較 Diamond／Cu復合材料的進一步降低，而其熱導率最高可達 50 W／（m·K）；此外，Diamond／AI的高彈性模量有助于減小熱變形，提高封裝器件的密封性能。因此，Diamond／AI復合材料有望在航天微電子領域實現更廣泛的應用。

表10 奧地利PLANSEE公司生產的Diamond／AI復合材料產品

由于金剛石原材料的品種較多，其性能品質、成本存在較大差別，如何優選出既可有效強化鋁合金性能，同時又能控制材料制備成本的金剛石顆粒，是研制過程中需要解決的難題。再加上 Diamond／AI復合材料表面加工耗時耗力，較難獲得精度滿足實際應用要求的零件，加工成本也十分高昂，這一系列問題導致Diamond／AI復合材料在現階段的實用化推廣進展緩慢。