金属基复合材料

    金属基复合材料（Metal Matrix composites, MMCs）主要是指以金属、合金为基体材料，以纤维、晶须、颗粒等高强度材料作为增强体，制备而成的一种复合材料。

 

    MMCs的常用的制备方法有：粉末冶金法、原位生成复合法、喷射成形法、铸造凝固成型法等。按照不同增强相可以分为连续纤维增强（主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维、不锈钢丝和钨丝）、非连续纤维增强（包括碳化硅、氧化铝、碳化硼等颗粒增强，碳化硅、氧化铝、等晶须增强，氧化铝纤维等短纤维增强）和叠层复合三类复合材料。

 

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    因为引入增强相在一定程度上会改变基体材料的显微结构和组织，如亚结构、位错形态和晶粒尺寸等，从而提高和弥补了基体材料在某些性能上的缺陷，使得MMCs具备高的比强度和比模量、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、尺寸稳定性强、良好的导电和导热性等优异的物理和力学性能。因此，MMCs已经取代了部分传统材料，并逐渐成为国内外材料科学研究的重点领域。

 

图1.金属基复合材料的应用

 

    铜是人类发现最早并最实用的金属之一，因其具有优良的延展性，仅次于银的电导率，仅次于金银的热导率，一直以来备受重视。但是，铜的力学性能(耐磨性、硬度、强度、抗蠕变性等)较差，限制了铜在工业和军事等领域的应用。在众多MMCs中，铜基复合材料以其优异的导电、导热性能、耐腐蚀性以及良好的加工性而被广泛关注。从二十世纪六十年代开始，铜基复合材料的相关研究逐渐开展，许多科学家在铜基体中加入了不同的增强体，发现该复合材料既保持了铜的优点，又弥补了铜力学性能上的不足。时至今日，铜基复合材料的研究已经持续了几十年，形成了以颗粒增强铜基复合材料、纤维增强铜基复合材料、晶须增强铜基复合材料三大类别。

 

 

图2.铜基复合材料的应用

 

1、颗粒增强铜基复合材料

 

    颗粒增强铜基复合材料目的是将性能优异的颗粒均匀分散于铜基体，提高铜基复合材料的综合性能。颗粒增强相产生的钉扎作用能够极大的阻碍位错的运动从而增强复合材料的强度，使铜基复合材料的力学性能、耐磨以及高温性能大幅提高。此外，由于颗粒增强相的添加量很少，不至于影响基体材料原有的物理化学特性，因此基材料原有的高电导和热导性能不发生明显降低。常见的颗粒增强相主要有Al₂O₃、WC、TiB₂、Ti₃SiC₂等。目前研究最多是是Al₂O₃，由于Al₂O₃增强铜基复合材料力学性能高，电导率和热导率接近纯铜，还具备有良好的抗腐蚀和抗磨损能力，该复合材料已进入实用化阶段。WC颗粒的特点是高强度、高硬度、高熔点和高弹性，所以WC增强铜基复合材料也具有高的强度、高的硬度和高的导电、导热等特性。TiB₂颗粒的特点是优异的刚度、高硬度和良好的耐磨性，因此TiB₂增强铜基复合材料具有优异的刚度、硬度和耐磨性。Ti₃SiC₂是一种新型材料，具有优异的结构、导电和自润滑性能，具备金属材料一样的导电、导热、易加工特点，同时又具备陶瓷材料轻质、抗氧化、耐高温特性。所以，Ti₃SiC₂增强铜基复合材料是一种优良的自润滑材料，其力学性能优于SiC增强铜基复合材料。

 

    由于兼具金属与非金属的综合性能(强韧性、耐磨性、耐热性、导电导热性及耐候性)，颗粒增强铜基复合材料能广泛适用工程要求，而且其比强度、比模量和高温稳定性均超过基体材料，对航空航天等尖端领域的发展具有重要作用。

 

2、纤维增强铜基复合材料

 

    纤维增强铜基复合材料是利用强度极高的金属丝或纤维(直径3~5µm)，来增强铜基体的一种方法，也是最早应用于铜基复合材料的强化方式。由于纤维增强相具有良好的耐高温性能，优异的导电、导热、抗疲劳特性，以及在辐射和潮湿环境下优异的尺寸稳定性，纤维增强铜基复合材料因其高强度、耐高温性能被认为在航空航天、汽车、电子等领域有巨大的应用前景。纤维增强铜基复合材料的性能由纤维的性能所决定，要求纤维增强相具备高的长径比、高的比强度、高的比模量、稳定的高温抗氧化性及良好的导电、导热性能。目前应该广泛的纤维增强相主要有：B纤维、C纤维、SiC纤维和Al₂O₃纤维等。B纤维具有低的密度、大的长径比、高的弹性模量、高的导热性、优异的热稳定性等特点；C纤维与 B 纤维相比，除了具有低的密度、优异的力学性能、良好的润滑和耐磨性外，它的制造成本更低；SiC纤维与B、C纤维相比而言，除力学性能更高外，其高温性能更优异，在高温条件下抗氧化能力更强。因此SiC纤维主要用于飞机、导弹、发动机的各种耐高温、高性能结构件的制造。

 

3、晶须增强铜基复合材料

 

    晶须增强铜基复合材料主要利于晶须增强铜基复合材料的一种方法。微细针状无缺陷（即生长轴上只存在一个螺旋位错）的晶体称为晶须；通常长径比大于10，横截面积小于52×10^-5 cm^-2，现在短纤维状晶体也被视为晶须的一种。结晶时，晶须的原子结构具有排列高度有序状、内部缺陷少的特点，因此晶须的强度和模量均接近完整晶界材料的理论计算值，从而使晶须增强相成为一种力学性能优异的增强增韧相，可显著提高复合材料的耐磨耐腐蚀、抗热疲劳性，同时可有效降低材料的膨胀系数。所以，合成晶须并且应用晶须已成为材料科学的热点研究领域。经过多年的研究和开发，已经形成了以SiC、Si₃N₄、K₂Ti₆O₁₃、Mg₂B₂O₅、Al₁₈B₄O₁₃、Al2O₃、ZnO为主，总计一百多种的晶须类型。在所有晶须当中，SiC晶须被誉为“晶须之王”，是研究和应用的重点领域。因为SiC晶须是目前所有已合成晶须中强度、弹性模量、抗拉强度、耐热温度等性能均最高的。与SiC相似，Si₃N₄晶须硬度稍低，但机械加工性能较好。后期开发出的K₂Ti₆O₁₃、Al₁₈B₄O₁₃、Mg₂B₂O₅等晶须除性能优异外还更加廉价。

 

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