金属基复合材料在现代工程中的制造与应用

金属基复合材料是通过将增强材料分散到金属基体中而制成。增强材料的表面可以有涂层，以防止与基体发生化学反应。例如，碳纤维通常被用于铝基体中，以合成显示出低密度和高强度的复合材料。然而，碳与铝发生反应，在纤维的表面产生一种脆性和水溶性的化合物Al4C3。为了防止这种反应发生，碳纤维上涂有镍或钛硼化物。

金属基复合材料（MMC）通常包含低密度金属，如铝或镁，再用陶瓷材料（如碳化硅或石墨）的颗粒或纤维加固。与未增强的金属相比，金属基复合材料提供了更高的比强度和刚度，更高的工作温度和更大的耐磨性，以及有机会为某个特殊领域提供定制性能。

然而，与金属相比，金属基复合材料也有一些缺点。其中最主要的是高性能金属基复合材料的制造成本较高，而且延展性和韧性较低。目前，MMC倾向于聚集在两个极端类型。一种是用昂贵的连续纤维加固的高性能复合材料，需要昂贵的加工方法。另一种是用相对便宜的颗粒或纤维加固的相对低成本和低性能的复合材料。第一种类型的成本太高，目前仅在军事或太空领域应用，而第二种类型的成本/效益相对于未被增强的金属合金的优势仍有疑问。

据悉，目前全球金属基复合材料市场基本上被西方发达国家所垄断，超过总质量2/3的金属基复合材料为美国、欧洲、日本等发达国家或地区所使用。我国在1981年启动了金属基复合材料研究，经历了艰难的起步阶段和初期工程验证阶段，目前步入普及与快速发展阶段。

1. 简介

目前，金属基复合材料市场主要是在军事和航空航天领域。实验性的MMC部件已经被开发出来，用于飞机、卫星、喷气发动机、导弹和美国国家航空和航天局（NASA）的航天飞机。在美国，颗粒增强型MMC的第一个生产应用是一套用于导弹制导系统的盖子。

迄今为止，最重要的商业应用是丰田公司的MMC柴油发动机活塞。这种复合材料活塞比它取代的铸铁活塞具有更好的耐磨性和高温强度。据估计，每年有30万个这样的活塞在日本生产和销售。日本每年生产和销售30万个这样的活塞。这一发展是非常重要的，因为它证明了MMC至少在一个对成本非常敏感的应用中不是非常昂贵的。其他的商业应用包括切割工具和断路器触点。

具有高比刚度和强度的金属基复合材料可用于节省重量的应用中是非常重要的一个因素。

这类应用包括机器人，高速机械，以及用于船舶和车辆的高速旋转轴。良好的耐磨性和高比强度，也有利于MMC在汽车发动机和制动部件中的应用。可定制的热膨胀系数和热导率，使它们成为激光器、精密机械和电子封装的良好候选材料。然而，目前的开发工作水平似乎不足以在未来5年内实现任何一种产品的商业化。但柴油机活塞可能是个例外。

根据现在公开的信息披露，金属基复合材料的军事应用似乎很有吸引力：高温战斗机发动机和结构；高温导弹结构；以及航天器结构等。

增强材料被嵌入到一个基体中。增强材料并不总是服务于纯粹的结构性任务，但可以被用来改变物理特性，如耐磨性、摩擦系数或热导率。增强材料可以是连续的或不连续的。不连续的金属基复合材料可以是各向同性的，可以用标准的金属加工技术，如挤压、锻造或轧制。此外，它们还可以用常规技术进行加工，但通常需要使用多晶金刚石工具（PCD）。连续增强材料使用单丝或纤维，比如碳纤维或碳化硅。由于纤维以一定的方向嵌入到基体中，其结果是一个各向异性的结构，其中材料的排列影响其强度。最早的金属基复合材料之一使用硼丝作为增强材料。不连续的增强使用 "晶须"、短纤维或颗粒。这一类中最常见的增强材料是氧化铝和碳化硅。

金属基复合材料制造方法可分为三种类型—固态、液态和气态。

• 高性能碳化钨刀具是由坚硬的钴基体与坚硬的碳化钨颗粒粘合而成；性能较低的刀具可以使用其他金属比如青铜作为基体。
• 一些坦克装甲可能由金属基复合材料制成，可能是用氮化硼加固的钢，氮化硼是一种很好的钢加固材料，因为它非常坚硬，而且不溶于熔融的钢水中。
• 一些汽车盘式制动器使用MMC。早期的 Lotus Elise 车型使用铝制MMC转子，但它们的热性能不太理想，Lotus 此后又改用铸铁。现代高性能跑车，例如保时捷制造的跑车，使用碳纤维在碳化硅基体内制成的转子，因为它的比热和导热性高。3M公司开发了一种预制铝材用于加强铸铝盘式制动器的卡钳，与铸铁相比重量减轻一半，同时保持相似的刚度。3M也将氧化铝预制棒用于AMC推杆上。
• 福特公司提供了一种金属基质复合材料（MMC）传动轴的升级。MMC传动轴是由碳化硼强化的铝基体制成。通过减少惯性，可以提高传动轴的临界速度。MMC传动轴已成为赛车手的常见改装，使最高速度远远超过了标准铝制传动轴的安全运行速度。

材料成本：< 5美元/公斤

• 本田已经在他们的一些发动机中使用了铝金属基复合材料气缸套，包括 B21A1、H22A和H23A、F20C和F22C，以及 NSX中使用的C32B等。
• 丰田将金属基复合材料应用于雅马哈设计的2ZZ-GE发动机，该发动机被用于后来的莲花Elise S2版本以及丰田汽车。后期Lotus Elise S2版本，以及丰田汽车车型，包括同名的丰田Matrix。保时捷也使用MMC来加强Boxster和Burberry的发动机缸套。在Boxster和911中使用MMC来加强发动机的气缸套。
• F-16战隼使用单丝碳化硅纤维在钛基体中用于喷气式飞机起落架的一个结构部件。
• l Specialized自行车公司已将铝制MMC化合物用于其顶级自行车车架。复合材料用于其顶级自行车车架已有数年之久。Griffen自行车公司也生产碳化硼铝MMC自行车架。Univega公司也曾短暂做过。
• 粒子加速器中的一些设备，例如射频四极杆（RFQs）或电子靶材，使用Glidcop等铜MMC化合物来保持铜在高温和辐射水平下的材料特性。
• 铜银合金基体含有55%（体积）的金刚石颗粒，被称为Dymalloy。其被用来作为高功率、高密度多芯片模块的基体，因为它具有非常高的导热性。

材料成本：> 1000美元/公斤

• 铝石墨复合材料在电力电子模块中的应用是因为它们的高导热性、可调节的热膨胀系数、和低密度。