金屬基復(fù)合材料是通過將增強材料分散到金屬基體中而制成。增強材料的表面可以有涂層，以防止與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。例如，碳纖維通常被用于鋁基體中，以合成顯示出低密度和高強度的復(fù)合材料。然而，碳與鋁發(fā)生反應(yīng)，在纖維的表面產(chǎn)生一種脆性和水溶性的化合物Al4C3。為了防止這種反應(yīng)發(fā)生，碳纖維上涂有鎳或鈦硼化物。

金屬基復(fù)合材料（MMC）通常包含低密度金屬，如鋁或鎂，再用陶瓷材料（如碳化硅或石墨）的顆粒或纖維加固。與未增強的金屬相比，金屬基復(fù)合材料提供了更高的比強度和剛度，更高的工作溫度和更大的耐磨性，以及有機會為某個特殊領(lǐng)域提供定制性能。

然而，與金屬相比，金屬基復(fù)合材料也有一些缺點。其中最主要的是高性能金屬基復(fù)合材料的制造成本較高，而且延展性和韌性較低。目前，MMC傾向于聚集在兩個極端類型。一種是用昂貴的連續(xù)纖維加固的高性能復(fù)合材料，需要昂貴的加工方法。另一種是用相對便宜的顆粒或纖維加固的相對低成本和低性能的復(fù)合材料。第一種類型的成本太高，目前僅在軍事或太空領(lǐng)域應(yīng)用，而第二種類型的成本/效益相對于未被增強的金屬合金的優(yōu)勢仍有疑問。

據(jù)悉，目前全球金屬基復(fù)合材料市場基本上被西方發(fā)達國家所壟斷，超過總質(zhì)量2/3的金屬基復(fù)合材料為美國、歐洲、日本等發(fā)達國家或地區(qū)所使用。我國在1981年啟動了金屬基復(fù)合材料研究，經(jīng)歷了艱難的起步階段和初期工程驗證階段，目前步入普及與快速發(fā)展階段。

1. 簡介

目前，金屬基復(fù)合材料市場主要是在軍事和航空航天領(lǐng)域。實驗性的MMC部件已經(jīng)被開發(fā)出來，用于飛機、衛(wèi)星、噴氣發(fā)動機、導(dǎo)彈和美國國家航空和航天局（NASA）的航天飛機。在美國，顆粒增強型MMC的第一個生產(chǎn)應(yīng)用是一套用于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的蓋子。

迄今為止，最重要的商業(yè)應(yīng)用是豐田公司的MMC柴油發(fā)動機活塞。這種復(fù)合材料活塞比它取代的鑄鐵活塞具有更好的耐磨性和高溫強度。據(jù)估計，每年有30萬個這樣的活塞在日本生產(chǎn)和銷售。日本每年生產(chǎn)和銷售30萬個這樣的活塞。這一發(fā)展是非常重要的，因為它證明了MMC至少在一個對成本非常敏感的應(yīng)用中不是非常昂貴的。其他的商業(yè)應(yīng)用包括切割工具和斷路器觸點。

具有高比剛度和強度的金屬基復(fù)合材料可用于節(jié)省重量的應(yīng)用中是非常重要的一個因素。

這類應(yīng)用包括機器人，高速機械，以及用于船舶和車輛的高速旋轉(zhuǎn)軸。良好的耐磨性和高比強度，也有利于MMC在汽車發(fā)動機和制動部件中的應(yīng)用。可定制的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率，使它們成為激光器、精密機械和電子封裝的良好候選材料。然而，目前的開發(fā)工作水平似乎不足以在未來5年內(nèi)實現(xiàn)任何一種產(chǎn)品的商業(yè)化。但柴油機活塞可能是個例外。

根據(jù)現(xiàn)在公開的信息披露，金屬基復(fù)合材料的軍事應(yīng)用似乎很有吸引力：高溫戰(zhàn)斗機發(fā)動機和結(jié)構(gòu)；高溫導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)；以及航天器結(jié)構(gòu)等。

增強材料被嵌入到一個基體中。增強材料并不總是服務(wù)于純粹的結(jié)構(gòu)性任務(wù)，但可以被用來改變物理特性，如耐磨性、摩擦系數(shù)或熱導(dǎo)率。增強材料可以是連續(xù)的或不連續(xù)的。不連續(xù)的金屬基復(fù)合材料可以是各向同性的，可以用標準的金屬加工技術(shù)，如擠壓、鍛造或軋制。此外，它們還可以用常規(guī)技術(shù)進行加工，但通常需要使用多晶金剛石工具（PCD）。連續(xù)增強材料使用單絲或纖維，比如碳纖維或碳化硅。由于纖維以一定的方向嵌入到基體中，其結(jié)果是一個各向異性的結(jié)構(gòu)，其中材料的排列影響其強度。最早的金屬基復(fù)合材料之一使用硼絲作為增強材料。不連續(xù)的增強使用 "晶須"、短纖維或顆粒。這一類中最常見的增強材料是氧化鋁和碳化硅。

金屬基復(fù)合材料制造方法可分為三種類型—固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。

• 高性能碳化鎢刀具是由堅硬的鈷基體與堅硬的碳化鎢顆粒粘合而成；性能較低的刀具可以使用其他金屬比如青銅作為基體。
• 一些坦克裝甲可能由金屬基復(fù)合材料制成，可能是用氮化硼加固的鋼，氮化硼是一種很好的鋼加固材料，因為它非常堅硬，而且不溶于熔融的鋼水中。
• 一些汽車盤式制動器使用MMC。早期的 Lotus Elise 車型使用鋁制MMC轉(zhuǎn)子，但它們的熱性能不太理想，Lotus 此后又改用鑄鐵。現(xiàn)代高性能跑車，例如保時捷制造的跑車，使用碳纖維在碳化硅基體內(nèi)制成的轉(zhuǎn)子，因為它的比熱和導(dǎo)熱性高。3M公司開發(fā)了一種預(yù)制鋁材用于加強鑄鋁盤式制動器的卡鉗，與鑄鐵相比重量減輕一半，同時保持相似的剛度。3M也將氧化鋁預(yù)制棒用于AMC推桿上。
• 福特公司提供了一種金屬基質(zhì)復(fù)合材料（MMC）傳動軸的升級。MMC傳動軸是由碳化硼強化的鋁基體制成。通過減少慣性，可以提高傳動軸的臨界速度。MMC傳動軸已成為賽車手的常見改裝，使最高速度遠遠超過了標準鋁制傳動軸的安全運行速度。

材料成本：< 5美元/公斤

• 本田已經(jīng)在他們的一些發(fā)動機中使用了鋁金屬基復(fù)合材料氣缸套，包括 B21A1、H22A和H23A、F20C和F22C，以及 NSX中使用的C32B等。
• 豐田將金屬基復(fù)合材料應(yīng)用于雅馬哈設(shè)計的2ZZ-GE發(fā)動機，該發(fā)動機被用于后來的蓮花Elise S2版本以及豐田汽車。后期Lotus Elise S2版本，以及豐田汽車車型，包括同名的豐田Matrix。保時捷也使用MMC來加強Boxster和Burberry的發(fā)動機缸套。在Boxster和911中使用MMC來加強發(fā)動機的氣缸套。
• F-16戰(zhàn)隼使用單絲碳化硅纖維在鈦基體中用于噴氣式飛機起落架的一個結(jié)構(gòu)部件。
• l Specialized自行車公司已將鋁制MMC化合物用于其頂級自行車車架。復(fù)合材料用于其頂級自行車車架已有數(shù)年之久。Griffen自行車公司也生產(chǎn)碳化硼鋁MMC自行車架。Univega公司也曾短暫做過。
• 粒子加速器中的一些設(shè)備，例如射頻四極桿（RFQs）或電子靶材，使用Glidcop等銅MMC化合物來保持銅在高溫和輻射水平下的材料特性。
• 銅銀合金基體含有55%（體積）的金剛石顆粒，被稱為Dymalloy。其被用來作為高功率、高密度多芯片模塊的基體，因為它具有非常高的導(dǎo)熱性。

材料成本：> 1000美元/公斤

• 鋁石墨復(fù)合材料在電力電子模塊中的應(yīng)用是因為它們的高導(dǎo)熱性、可調(diào)節(jié)的熱膨脹系數(shù)、和低密度。