在過去的二十幾年中, 金屬基復合材料逐漸地從軍事國防向民用領域滲透, 如今已在陸上運輸(汽車和火車)、熱管理、民航、工業和體育休閑產業等諸多領域實現商業化的應用, 形成年產量近5000 t、年產值近20億美元的工業部門, 這種擴張歸功于非連續增強金屬基復合材料的發展。

相比于長纖維連續增強金屬基復合材料, 顆粒、晶須等非連續增強金屬基復合材料雖然在性能方面自嘆弗如, 但是卻提供了更好的性價比和可加工性能, 而這恰恰是實現商業化的前提條件。受商業利益驅動, 許多企業參與到非連續增強金屬基復合材料的研發進程中, 攻克了一系列具有挑戰性的技術難題, 其中包括基體與增強體之間的相容性問題、界面表征與控制問題、可調控增強體空間分布的復合技術與二次加工技術等。這一切幫助確立了金屬基復合材料作為新材料和新技術的地位。但是, 金屬基復合材料的未來發展仍然面臨很大的不確定性, 既有可能持續擴大應用領域和市場規模, 也有可能在其它材料和技術的競爭下停滯甚至萎縮。

金屬基復合材料的范疇界定

這是一個長期以來存在爭議的話題。從復合材料的定義出發, 凡是包含金屬相在內的雙相和多相材料都可歸于金屬基復合材料, 通常包括定向凝固共晶層片或纖維組織(如Al3Ni-Al, Al-CuAl, Ni-TaC, Ni-W)、雙相金屬間化合物層片組織(如γ-TiAl)、珠光體鋼、高硅鋁合金(Al-Si)等。以上材料習慣上被看作是金屬合金, 而不是金屬基復合材料。

然而最近出現并頗受關注的非晶/初晶復合組織(如Zr基非晶合金), 有望幫助人們沖破傳統觀念的束縛---通過控制凝固和固態相變在非晶基體中原位(in-situ)形成的晶相可以發揮增韌/增塑的作用, 從而為本征脆性的非晶合金開辟了實用化途徑。總之, 采用復合的思想發展金屬材料具有巨大潛力, 值得我們給以足夠的重視, 而合金與復合材料的爭議本身卻無關緊要。本文涉及的仍然是比較狹義的金屬基復合材料, 其增強體要么是從外部引入到金屬基體當中(Ex-situ),要么是在金屬基體內部由一至多種始終獨立存在的反應物原位生成(In-situ)。通常, 金屬基復合材料都是以包括顆粒、晶須、纖維等形態的陶瓷相作為增強體, 但是作為特例, 也有一些金屬基復合材料是以金屬相作為增強體, 例如Cu-Mo和Cu-W材料。

MMCs在陸上運輸領域的應用

隨著能源和環境問題日益嚴峻, 世界各國實行越來越嚴格的燃油效率標準和尾氣排放標準, 這迫使各汽車生產商采用輕質的MMCs取代目前的鑄鐵和鋼, 實現汽車輕量化的目的。一般認為, 汽車質量每降低10%,燃油經濟性就提高5%。而對于成本極端計較的汽車市場, 唯一能接受的只有鋁基MMCs。

無論傳統的燃油汽車, 還是混合動力車, MMCs主要被用于那些需要耐熱耐磨的發動機和剎車部件(如圖2所示的剎車件), 如活塞、缸套、剎車盤和剎車鼓等;或者被用于那些需要高強高模量運動部件, 如驅動軸、連桿等。目前, 在陸上運輸領域消耗的MMCs中,驅動軸的用量超過50%, 汽車和列車剎車件的用量超過30%。

MMCs驅動軸在大型客車和卡車上盡顯優勢。與傳統的鋼或鋁合金驅動軸相比, MMCs驅動軸可承受更高的轉速，同時產生較小的振動噪聲。典型的6061 /Al2O3/20p的比模量明顯高于鋼或鋁, 因此大型客車和卡車可采用較長的單根MMCs驅動軸而無需增大軸徑和重量。 事實上, 用單根MMCs驅動軸取代傳統的二件式鋼軸總成及所必需的支撐附件, 減重效益高達9 kg。

剎車件是MMCs用量增長最快的部分，年增長率超過10%。相對于鑄鐵和鋼, Al2O3或SiC顆粒增強鋁基復合材料用作剎車材料的優勢在于高達50%～60%的減重效益及高耐磨、高導熱等性能特點, 可使慣性力、油耗和噪音都得到下降。目前, 美國汽車三巨頭克萊斯勒、福特、通用均在新車型中采用鋁基MMCs剎車盤和剎車鼓, 例如通用在2000年發布的混合動力車Precept,前后輪均裝配采用Alcan公司鋁基MMCs制造的通風式剎車盤, 該剎車盤質量不到原來鑄鐵剎車盤的一半, 而熱傳導率卻達3倍多, 并消除了剎車盤和剎車鼓之間的腐蝕問題。

世界范圍內, 建設了許多高速鐵路和列車。其中德國ICE(InterCityExpress)列車尤其以第一次應用MMCs剎車盤而著稱。ICE列車的剎車系統原來采用的是4個鑄鐵剎車盤, 每個質量達126 kg。替換為AlSi7Mg/SiCp顆粒增強鋁基MMCs剎車盤后, 每個質量僅為76 kg,帶來重大的減重效益。

MMCs在電子/熱控領域的應用

如果以產值排序, 高產品附加值的電子/熱控領域是第一大MMCs市場, 產值比例超過60%。目前, Cu-W和Cu-Mo等第一代熱管理材料仍然占據著市場主導地位。但是, 微波電子、微電子、光電子和功率半導體器件的微型化及多功能化對熱管理特性提出了更高要求, 需要低密度、高導熱、與半導體及芯片材料膨脹匹配, 能夠達到最優功率密度的新型基板和熱沉材料。

以鋁碳化硅(AlSiC)MMCs為代表的第二代熱管理材料,密度僅為Cu-W和Cu-Mo的1/5, 可提供高熱導率(180～200 W/mK)及可調的低熱膨脹系數(CTE), 為電子封裝提供了高度可靠且成本經濟的熱管理解決方案。因此, AlSiC雖然進入市場不久, 但用量比例已經突破10%, 并仍將保持超過10%的年增長率。AlSiC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, 無線通訊與雷達系統中的射頻與微波器件封裝構成AlSiC目前最大的應用領域, 其第二大應用領域則是高端微處理器的各種熱管理組件, 包括功率放大器熱沉、集成電路熱沉、印刷電路板芯板和冷卻板、芯片載體、散熱器、整流器封裝等(如圖3所示)。

AlSiC采用溶滲工藝制造, 因為碳化硅顆粒預制塊和溶滲鑄模都可針對最終產品形狀而設計, 因此可以實現低成本的凈成形(net-shape)或近凈成形制造, 所得產品不需要進一步加工, 或只需要很少的加工。并且近凈成形工藝可方便地增加功能選項, 從而滿足定制設計要求, 例如微波封裝組件可將好的氣密性和熱管理特性集于一身。

MMCs在航空航天領域的應用

MMCs最初發展的原動力來自于航空工業領域。目前已用于軍機和民機的MMCs主要是鋁基和鈦基復合材料。DWA公司最早發展了粉末冶金制備MMCs的技術路線并保持領先地位至今。DWA量產的第一個產品是洛克希德公司的機載電氣設備支架, 該擠壓態復合材料由6061/SiC/25p, 替代原有的7075 T6態鋁合金擠壓件, 減重達17%。總計有超過3000m的該種復合材料型材在各種洛克希德飛機上服役。DWA公司鋁基MMCs的后續應用案例包括F-16戰隼輕型戰斗機的腹鰭和加油口蓋板, Boeing777客機Pratt＆ Whitney4084、4090和4098發動機的風扇導向葉片, AC-130武裝直升機的武器掛架, V-22魚鷹式傾斜旋翼直升機和F/A-18E/F超級大黃蜂戰斗機的液壓系統分路閥箱。此外, SiC鋁基MMCs在航天領域也已經過實用驗證, 例如波導天線、支撐框架及配件、熱沉等。以上應用不但克服了原有材料的重大缺陷, 同時也帶來明顯的減重效益。

1998年, 鈦基復合材料進入航空市場, 當時大西洋研究公司(AtlanticResearchCorporation)的鈦基MMCs接力器活塞出現在Pratt＆ WhitneyF119燃氣渦輪發動機的材料采購單上。F119發動機為洛克希德/波音聯合研制的F-22猛禽戰斗機提供動力。

MMCs在其它領域的應用

MMCs的其它應用涵蓋制造業、體育休閑及基礎建設領域, 既包括硬質合金、電鍍及燒結金剛石工具、Cu基及Ag基電觸頭材料等成熟市場, 也包括TiC增強鐵基耐磨材料、Saffil纖維增強鋁基輸電線纜、B4C增強鋁基中子吸收材料等新興市場。這些新興市場的表現在很大程度上決定著MMCs的未來增長點。鐵基復合材料的制備和應用是提高鋼鐵材料性能的重要研究方向。低密度、高剛度和高強度的增強體顆粒加入到鋼鐵基體中, 在降低材料密度的同時, 提高了它的彈性模量、硬度、耐磨性和高溫性能, 可應用于切削、軋制、噴丸、沖壓、穿孔、拉拔、模壓成型等工業領域。目前應用最多的是TiC顆粒增強鐵基復合材料，例如注冊商標為Ferro-TiC,Alloy-TiC和Ferro-Titanit的鋼基硬質合金, 用作抗磨材料和高溫結構材料, 性能明顯優于現有的工具鋼(如圖4所示的材料)。

為支撐傳統的高架輸電用鋼芯鋁絞線的質量, 需要造昂貴的輸電塔, 這促使人們開發高強、低密度導線。據報道, 3M公司開發的氧化鋁纖維增強鋁基MMCs(Al/Saffil)導線, 用于取代現有鋁絞線的鋼芯, 經測試比強度提高2～3倍, 電導提高4倍, 熱膨脹降低一半,腐蝕性也降低。雖然新型MMCs導線的價格較貴, 但是可以降低建造支撐塔成本的15%～20%, 并且可以提高輸電能力并降低電耗(如圖5)。

核能是世界各國應對能源和環境壓力的必然選擇。為確保安全, 貯存及運輸高放射性廢核燃料的容器在核防護的同時還必須具有耐久可靠的機械性能。B4Cp/Al是一種新型MMCs, 具有優異的中子吸收性能, 是唯一可用于廢核燃料貯存和運輸的金屬基復合材料(如圖6)。目前, 已有BorTecTM , metaMICTM和Talbor等多種B4Cp/Al材料獲得美國核能管理委員會(NRC)核準, 可以用于制造核廢料貯存桶的中子吸收內膽、廢燃料棒貯存水池的隔板等。

實際上, MMCs應用廣度、生產發展的速度和規模, 已成為衡量一個國家材料科技水平的重要標志之一。以用量計算, 美國、歐洲、日本是位列前三的MMCs消費大國, 超過總質量2/3 的MMCs為其所用,這與它們作為發達國家的地位相符。

我國尚未形成金屬基復合材料產業及行業標準與軍用標準。目前僅少數研制單位具有小批量的配套能力,雖然品種、規格單一, 但仍然為國防和軍工建設提供有力的支撐。輕質高強多功能金屬基復合材料在航天、航空、國防先進武器等軍事領域的應用具有不可替代性,是典型的軍民兩用新材料。也正是由于金屬基復合材料特殊的國防應用背景, 國外對核心技術和產品嚴格保密。隨著我國在空間技術、航天航空、高速交通、通訊電子等領域的綜合實力的提升, 對高性能金屬基復合材料的需求日益增加, 例如汽車發動機零部件、高速列車制動系統、電子封裝及核廢燃料輻射防護等。近年來,覷覦中國的MMCs巨大的市場空間, 西方一些MMCs公司在中國建立了若干合資或獨資企業, 但是并沒有、也不可能轉移相關技術。為了避免受制于人, 必須盡快提升我國自主的MMCs生產和應用水平。

當代MMCs的結構和功能都相對簡單, 而高科技發展日益要求MMCs能夠滿足高性能化和多功能化的挑戰, 因此新一代MMCs必然朝著“結構復雜化”的方向發展。 

金屬基復合材料結構的優化

金屬基復合材料的性能不僅取決于基體和增強體的種類和配比, 更取決于增強體在基體中的空間配置模式(形狀、尺寸、連接形式和對稱性)。傳統上增強體均勻分布的復合結構只是最簡單的空間配置模式, 而近年來理論分析和實驗結果都表明, 在中間或介觀尺度上人為調控的有序非均勻分布更有利于發揮設計自由度, 從而進一步發掘MMCs的性能潛力、實現性能指標的最優化配置, 是MMCs研究發展的重要方向。

多元/多尺度MMCs

多元復合強化(混雜增強)的研究理念逐漸引起研究者的更大興趣。通過引入不同種類(例如TiB和TiC混雜增強鈦基MMCs)、不同形態(例如晶須和顆粒混雜增強鎂基基MMCs)、不同尺度(雙峰SiC顆粒增強鋁基MMCs)的增強相, 利用多元增強體本身物性參數不同, 通過相與相、以及相界面與界面之間的耦合作用呈現出比單一增強相復合條件下更好的優越性能。 

微結構韌化MMCs

隨增強體含量些微增大, MMCs的強度和韌性/塑性存在著相互倒置關系, 即強度的提高伴隨韌性/塑性的降低。通過將非連續增強MMCs分化區隔為增強體顆粒富集區(脆性)和一定數量、一定尺寸、不含增強體基體區(韌性), 這些純基體區域作為韌化相將會具有阻止裂紋擴展、吸收能量的作用, 從而使MMCs的損傷容限得到提高。與傳統的均勻分散的MMCs相比, 這種新型的復合材料具有更好的塑性和韌性。 

層狀MMCs

層狀金屬基復合材料在現代航空工業中的應用十分廣泛, 如用作飛機蒙皮的GLARE層板是由玻纖增強樹脂層與鋁箔構成的層狀鋁基復合材料, 在A380上的用量達機體結構質量的3%以上。在微米尺度上, 受自然界生物疊層結構達到強、韌最佳配合的啟發, 韌脆交替的微疊層MMCs研究越來越引起關注, 主要包括金屬/金屬、金屬/陶瓷、金屬/MMCs微疊層材料, 主要目的是通過微疊層來補償單層材料內在性能的不足, 以滿足各種各樣的特殊應用需求, 如耐高溫材料、硬度材料、熱障涂層材料等。

泡沫MMCs

多孔金屬泡沫是近幾十年發展起來的一種結構功能材料, 作為結構材料, 它具有輕質和高比強度的特點;作為功能材料, 它具有多孔、減振、阻尼、吸音、散熱、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能, 由于其滿足了結構材料輕質多功能化及眾多高技術的需求, 已經成為交通、建筑及航空航天等領域的研究熱點。目前研究較多的是泡沫鋁基復合材料, 大致可分為兩個范疇:一是泡沫本身是含有增強體的鋁基復合材料, 二是泡沫雖然由純鋁基體構成, 但在其孔洞中引入粘彈性體、吸波涂料等功能組分。 

雙連續/互穿網絡MMCs

為了更有效地發揮陶瓷增強體的高剛度、低膨脹等的特性, 除了提高金屬基復合材料中的陶瓷增強體含量外, 另一種有效的作法是使陶瓷增強體在基體合金中成為連續的三維骨架結構, 從而以雙連續的微結構設計來達到這一目的。 

結構功能一體化

隨著科學技術的發展, 對金屬材料的使用要求不再局限于機械性能, 而是要求在多場合服役條件下具有結構功能一體化和多功能響應的特性。在金屬基體中引入的顆粒、晶須、纖維等異質材料, 既可以作為增強體提高金屬材料的機械性能, 也可以作為功能體賦予金屬材料本身不具備的物理和功能特性。 

高效熱管理MMCs

隨著微電子技術的高速發展, 微處理器及半導體器件的最高功率密度已經逼近1000W/cm2 , 在應用中常常因為過熱而無法正常工作。散熱問題已成為電子信息產業發展的技術瓶頸之一。新一代電子封裝材料的研發主要以高熱導率的碳納米管、金剛石、高定向熱解石墨作增強相。其中, 金剛石可以人工合成且不存在各向異性, 將金剛石與Cu, Al等高導熱金屬復合可以克服各自的不足, 可望獲得高導熱、低膨脹、低密度的理想電子封裝材料。

低膨脹MMCs

低熱膨脹MMCs具有優異的抗熱沖擊性能, 在變溫場合使用時能夠保持尺寸穩定性, 因此在航天結構件、測量儀表、光學器件、衛星天線等工程領域具有重要的應用價值。據研究報道, 在金屬基體中添加具有較低熱膨脹系數、甚至負熱膨脹系數的增強體作為調節MMCs熱膨脹系數的功能組元, 例如β -鋰霞石(Li2O·Al2O3·2SiO2 )、鎢酸鋯(ZrW2O8 )、準晶(Al65Cu20Cr15)等,可以有效地降低復合材料的熱膨脹系數。相信隨著研究的逐漸深入和完善, 這種近零膨脹的金屬基復合材料很快將成功應用于實踐。 

高阻尼MMCs

在實際應用中, 不但要求高阻尼材料具有優異的減振與降噪性能, 而且要求輕質、高強的結構性能。然而, 二者在金屬及其合金中通常是不兼容的。因此MMCs成為發展高阻尼材料的重要途徑, 即通過引入具有高阻尼性能的增強體, 使增強體和金屬基體分別承擔提供阻尼與強度的任務。目前關注較多的高阻尼增強體包括粉煤灰空心微球(flyash)、形狀記憶合金(TiNi,Cu-Al-Ni)、鐵磁性合金、壓電陶瓷(PbTiO)、高阻尼多元氧化物(Li5La3Ta2O12 )、碳納米管等。

碳納米管增強金屬基納米復合材料

在金屬基體中引入均勻彌散納米級增強體粒子, 所得MMCs往往可以呈現出更為理想的力學性能以及導電、導熱、耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化等性能。目前, 金屬基納米復合材料的研究重點主要集中在納米結構材料和納米涂層。碳納米管具有優異的力學、電學、熱學等性能, 是制備MMCs的最為理想的增強體之一,特別是隨著碳納米管的宏量制備及其價格的一路降低,碳納米管增強MMCs日漸成為研究的焦點,Al,Cu,Mg,Ti,Fe等基體雖都有涉及, 但是關于Al基和Cu基的研究相對集中。然而, 一則由于碳納米管很難均勻分散, 二則由于碳納米管很難與金屬基體形成有效的界面結合, 所以所制備的MMCs的性能提高并不是很大, 遠沒有達到理想值,特別是在力學性能方面。

經過二十多年的發展, MMCs已經成功地從實驗室走向市場, 并在諸多應用領域站穩了腳跟, 這受益于廣泛而深入的基礎研究工作, 為低成本、高效率生產MMCs提供有力的技術支撐 。今后的研發工作主要應著眼于兩個方面, 即在進一步完善已有MMCs材料和技術的同時, 尋求新一代MMCs設計與制備的突破口, 從而為MMCs的可持續發展奠定基礎。目前MMCs研發工作呈現3個趨勢：①復合構型設計將受到更多重視, 重點是通過調控增強體的空間分布實現強韌化;②結構功能一體化、多功能化將成為未來MMCs高性能化的必然途徑;③盡管備受爭議, 以碳納米管為代表的金屬基納米復合材料終將登上歷史的舞臺。