航空航天等领域的飞速发展对材料综合性能的要求日益严苛，金属基复合材料特有的材料可设计性使其可以兼具高强、高韧、耐磨、耐腐蚀等优点，在相关领域展现出广阔的应用前景，其发展水平已成为衡量一个国家材料科技水平的重要标志之一。《航空航天用先进金属基复合材料》从材料分类、性能、制备方法、典型材料和应用情况五个方面系统介绍了铝基、钛基、高温合金、镁基等金属基复合材料在航空航天领域的发展现状，建立了完整的航空航天用先进金属基复合材料内容体系。

目录
前言
第1章　绪论1
1.1　基本概念1
1.1.1　复合材料1
1.1.2　金属基复合材料2
1.2　金属基复合材料发展历史6
1.2.1　国外发展历史6
1.2.2　国内发展历史8
1.3　分类11
1.3.1　按基体类型分类11
1.3.2　按增强体类型分类17
1.3.3　按材料结构分类25
1.3.4　按材料应用分类29
1.4　航空航天用金属基复合材料30
1.4.1　服役环境30
1.4.2　特点32
1.4.3　选择与应用32
参考文献34
第2章　航空航天用铝基复合材料38
2.1　常见分类38
2.1.1　纤维增强铝基复合材料39
2.1.2　颗粒增强铝基复合材料41
2.1.3　微纳米混合增强铝基复合材料44
2.1.4　晶须增强铝基复合材料45
2.1.5　新型铝基复合材料47
2.2　性能50
2.2.1　物理性能50
2.2.2　化学性能52
2.2.3　力学性能54
2.2.4　耐磨性60
2.3　制备方法61
2.3.1　搅拌铸造法61
2.3.2　液体浸渗法64
2.3.3　粉末冶金法66
2.3.4　其他方法68
2.4　典型材料72
2.4.1　Bf/Al复合材料72
2.4.2　Cf/Al复合材料73
2.4.3　SiCf/Al复合材料74
2.4.4　Al2O3f/Al复合材料77
2.4.5　SiCp/Al复合材料78
2.4.6　Al2O3p/Al复合材料80
2.4.7　SiCw/Al复合材料83
2.5　应用情况84
2.5.1　铝基复合材料在航空领域的应用85
2.5.2　铝基复合材料在航天领域的应用88
2.5.3　新型铝基复合材料的发展及应用展望89
参考文献90
第3章　航空航天用钛基复合材料96
3.1　常见分类96
3.1.1　连续纤维增强钛基复合材料96
3.1.2　非连续增强钛基复合材料98
3.2　性能100
3.2.1　物化性能101
3.2.2　力学性能102
3.2.3　耐磨性109
3.3　制备方法111
3.3.1　液态成形111
3.3.2　固态成形116
3.4　典型材料121
3.4.1　SiCf/Ti复合材料121
3.4.2　Cf/Ti复合材料125
3.4.3　TiCp/Ti复合材料127
3.4.4　TiBw/Ti复合材料128
3.5　应用情况130
3.5.1　航空发动机131
3.5.2　起落架132
3.5.3　其他133
参考文献135
第4章　航空航天用高温合金复合材料141
4.1　常见分类141
4.1.1　氧化物弥散强化镍基复合材料142
4.1.2　氧化物弥散强化铁基复合材料144
4.1.3　氧化物弥散强化钴基复合材料146
4.1.4　新型高温合金复合材料147
4.2　性能150
4.2.1　物理性能150
4.2.2　化学性能152
4.2.3　力学性能155
4.2.4　耐磨性158
4.3　粉末冶金制备方法160
4.3.1　复合粉末制备160
4.3.2　粉末致密化成形164
4.3.3　热机械处理170
4.4　典型材料172
4.4.1　Al2O3p/Fe复合材料172
4.4.2　Y2O3p/Ni复合材料174
4.4.3　Y2O3p/Fe复合材料178
4.5　应用情况180
4.5.1　航空发动机181
4.5.2　其他领域183
参考文献184
第5章　航空航天用镁基复合材料187
5.1　常见分类187
5.1.1　颗粒增强镁基复合材料188
5.1.2　纤维增强镁基复合材料190
5.1.3　新型镁基复合材料192
5.2　性能194
5.2.1　物理性能194
5.2.2　化学性能195
5.2.3　力学性能196
5.2.4　耐磨性199
5.3　制备方法201
5.3.1　熔铸法201
5.3.2　粉末冶金法204
5.3.3　喷射沉积法205
5.3.4　其他方法206
5.4　典型材料208
5.4.1　SiCp/Mg复合材料208
5.4.2　B4Cp/Mg复合材料215
5.4.3　Cf/Mg复合材料220
5.5　应用情况223
5.5.1　航空航天领域代表性应用224
5.5.2　航空航天领域潜在应用225
参考文献227
第6章　航空航天用其他金属基复合材料230
6.1　航空航天用金属间化合物复合材料230
6.1.1　概述230
6.1.2　常见分类231
6.1.3　性能235
6.1.4　发展方向237
6.2　航空航天用难熔合金复合材料238
6.2.1　概述238
6.2.2　常见分类239
6.2.3　性能247
6.2.4　应用前景256
6.3　航空航天用高熵合金复合材料260
6.3.1　概述260
6.3.2　常见分类261
6.3.3　性能268
6.3.4　应用前景276
6.4　航空航天用非晶合金复合材料278
6.4.1　概述278
6.4.2　常见分类280
6.4.3　性能287
6.4.4　应用前景299
参考文献303

第1章　绪论
　　1.1　基本概念
　　1.1.1　复合材料
　　现代科学技术的快速发展依赖于各种新型高性能材料的开发及应用，随着航空航天、电子封装、核能等前沿科技领域的快速发展，相关构件对材料性能的要求越来越高。传统单相材料受其成分单一的限制，综合性能难以满足科技发展的需求。因此，综合各类材料的优点，按性能需求对材料进行复合化成为改善材料性能的新趋势。目前，复合化制备技术已成为多国重点发展的新材料研发技术，是一个国家先进材料发展水平的衡量标准。
　　复合材料是指由无机非金属、金属或高分子等几类具有不同物理、化学性质的材料通过一定的复合工艺形成的新型材料(倪红军等，2016)。复合化制备的材料中各种组分的主要特点不发生变化，但各组分在不同制备工艺中产生微观、宏观等不同层次的结合(即复合效应)，通过取长补短、协同作用得到单相材料所不具备的优异性能(Rhee et al.， 2022)。
　　复合材料是由多种不同材料复合而成，可以形成不同的复合材料体系。在繁多的复合材料种类中，按照不同的标准有较多的分类方式。以目前复合材料主流研究方向及内容为基础，通常按复合材料中的基体材料类型进行分类。复合材料的基体主要起黏结、均衡及分散载荷，保护增强体或功能体的作用，基体材料的物理、化学性质在一定程度上决定了复合材料的*终性能。按基体分类，一般有聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料四类复合材料。图1.1为复合材料按基体分类示意图。
　　(1) 聚合物基复合材料：聚合物基复合材料主要分为树脂基复合材料和橡胶基复合材料，其中树脂基复合材料又分为热固性、热塑性树脂两类，二者区别于随温度变化树脂固化过程是否可逆。不同类型聚合物基体的工艺性能、物理化学性能有很大的差异，制备得到的复合材料性能多元化，可满足不同航空航天构件的服役要求。
　　(2) 金属基复合材料：相较于聚合物基体，金属基体具有更高的熔点，可服役于300℃及以上的高温环境，在不同温度的应用条件下，有多种类型基体可供选择。此外，金属基体优良的导电、导热性能也进一步促进了其在航空航天装备构件上的应用。随着高性能增强体、功能体的不断出现，金属基复合材料的性能有望获得飞跃发展。
　　图1.1　复合材料按基体分类示意图
　　(3) 陶瓷基复合材料：陶瓷基体是以无机非金属化合物为原料，通过原料处理、成形和烧结制成。陶瓷基体具有极佳的热稳定性、化学稳定性和抗氧化性，同时具有高模量和高抗压强度(又称“压缩强度”)，但脆性大、耐冲击差的缺点限制了其应用(吴复涛等，2022)。
　　(4) 碳基复合材料：碳(石墨)的弹性模量较高，抗热震性、导热性好，具有优异的耐高温性能，碳基复合材料适用于烧蚀条件下的高温环境，是极具前景的复合材料。
　　1.1.2　金属基复合材料
　　金属基复合材料(metal matrix composites，MMCs)是以纯金属或合金为基体，采用一定的制备工艺处理后，将物理、化学性质有所差异的增强体与基体复合形成的新材料。一般情况下，选用无机非金属的纤维、晶须、颗粒或纳米颗粒等作为增强体，经复合所形成的金属基复合材料既可以保持金属基体的优点，又能发挥增强体的优点，相较于单一金属材料，金属基复合材料的比强度、比模量和耐高温等性能改善明显(吴人洁，2001)。
　　1. 金属基复合材料基体与增强体
　　金属基复合材料主要由基体和增强体构成，金属基体在不同类型复合材料中的体积比有所差异，颗粒增强金属基复合材料中，基体体积比为25%～90%；纤维增强金属基复合材料中基体体积比为50%～70%；晶须增强金属基复合材料中，基体体积比在70%以上。金属基体在金属基复合材料中可以固结增强体且保护其不受环境侵蚀；金属基体作为承载相，可传递和承受载荷；金属基体也赋予复合材料一定的可加工性。
　　在金属基复合材料的研究中，随着材料制备技术水平的不断提高，用于金属基复合材料增强体的材料种类不断增多。增强体按其在基体的贯穿分布情况可分为连续型和非连续型两种基本类型，连续型增强体包括纤维和骨架，非连续型增强体包含晶须、颗粒，可以通过选用不同类型的增强体获得复合材料所需要的性能。此外，随着电子材料等领域对于金属基复合材料性能要求的提高，新型增强体材料，如碳纳米管、石墨烯(GR)等也被广泛研究并应用(杨玄依等，2021)。在种类繁多的增强体材料中，结合金属基体自身的特点，合理选用增强体，设计制备高性能金属基复合材料是目前的研究重点。
　　金属基复合材料增强体的选用*先要求增强体自身具有良好的物理性能，从而改善基体强度、耐磨性、热膨胀系数、导电导热性能等；其次，增强体还需要具有良好的化学稳定性，有时也要求其具有高热稳定性(Anandaraj et al.， 2021)，以保证设计制备的金属基复合材料产生有益于改善材料组织并提升性能的作用；此外，增强体在基体中分布均匀且结合良好是充分发挥增强效果的前提(武高辉等，2012)，故要保证增强体与金属基体之间有较好的浸润性和化学相容性。
　　2. 金属基复合材料性能特点
　　金属基复合材料的诞生与现代科技的快速发展关系紧密。在航空航天等领域，传统的金属材料已逐渐无法满足工业生产和技术提升的要求，人们迫切需要强度更高、质量更轻且具备更多优异性能的新型材料。与其他类型材料相比，金属基复合材料的综合性能优势明显。与传统金属及合金相比，金属基复合材料比强度、耐磨性、减振等方面性能都更优异；相比无机非金属类材料，其韧性和抗冲击性能突出，线膨胀系数小；相比聚合物基复合材料，其具备更高的强度和服役温度、更优异的导电导热性能和抗辐射性能。结合目前广泛使用的金属基复合材料，归纳总结其具有以下典型性能特点。
　　1) 高比强度、高比模量
　　采用不同的复合工艺方式，将不同尺寸、含量且具有高强度、高模量的纤维、晶须、颗粒等增强体添加到金属基体中，可以将金属材料的高韧性、高塑性等特点与增强体高硬度等优良性能结合，制备出具有高比强度、高比模量的金属基复合材料。图1.2为典型复合材料与基体金属性能对比，可以看出复合材料的理论预测比强度和比模量远高于基体金属。
　　图1.2　典型复合材料与基体金属性能对比
　　2) 良好的耐磨性
　　金属基复合材料具有良好的耐磨性。在基体金属中添加高硬度、耐磨的增强体材料，不仅可以提高材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。可以选用高耐磨性基体金属和尺寸细小且硬度更高的陶瓷纤维、晶须等增强体制备高耐磨性复合材料，这类材料在汽车发动机、活塞等构件中已经得到了广泛应用并仍具有良好的研发前景。
　　3) 良好的导热、导电性能
　　金属基复合材料中金属基体一般具有良好的导热、导电性能，在金属基体中添加导热、导电性能更加优异的增强体可以在基体基础上进一步提高材料的导热、导电性能(王春华，2007)。良好的导热、导电性能有利于扩大金属基复合材料的应用范围，如在航空领域的一些飞行器构件上利用其良好的导电性避免发生静电聚集等危险现象，在芯片制造中的应用对于解决高集成度电子器件的散热问题意义重大。
　　4) 良好的耐高温性能
　　得益于金属基体本身较好的耐高温性能及常用纤维、颗粒增强体高强度、高模量的特点，金属基复合材料的耐高温性能较为优异(Hosseinzadeh， 2018)。图?1.3为不同温度下典型复合材料与基体金属比强度对比(李红英等，2019)，在0～900℃，不同金属基复合材料的比强度为基体金属的2～3倍。相对于聚合物基复合材料，金属基复合材料具有更优的耐高温性能，其比强度随着温度升高的下降幅度更小，在超高温时仍能保持较高的比强度。
　　图1.3　不同温度下典型复合材料与基体金属比强度对比
　　5) 低热膨胀系数、良好的尺寸稳定性
　　物体因温度改变而发生的膨胀现象叫热膨胀，热膨胀系数为表征物体受热时，其长度、面积、体积变化的程度而引入的物理量。降低材料的热膨胀系数，保持材料尺寸稳定对于在温度变化条件下服役的构件格外重要，这可以避免构件发生变形，保证服役时间。金属基复合材料中常用的碳纤维、硼纤维等增强体，具有高模量和低热膨胀系数的特点，一些具有超高模量的增强体，如石墨纤维等还具有负的热膨胀系数，故在基体金属中添加不同种类和含量的低热膨胀系数增强体，不仅使金属基复合材料的热膨胀系数明显下降，还可以获得不同热膨胀系数的复合材料，以满足不同构件要求。
　　6) 良好的抗疲劳性和断裂韧性
　　金属基复合材料中存在大量增强体及与之相匹配的增强体-基体界面，基体可以通过这些界面向增强体传递载荷。*先，正是因为增强体能够承担更大的载荷，所以才能更加有效地抑制疲劳裂纹的产生，同时能够阻碍疲劳裂纹的扩展。其次，增强体材料因热膨胀系数与基体不同，在制备的冷却过程中也会产生较多位错，这些位错提高了金属基复合材料强度的同时也提高了它的抗疲劳性。*后，增强体可以促进结晶和再结晶形核，对*终的复合材料产生细晶强化。增强体与基体的界面结合状态、金属基体及增强体本身特性、增强体的分布状态等都在很大程度上影响着金属基复合材料的抗疲劳性和断裂韧性。对压力浸渗法制备的TiB/2024Al复合材料进行高周疲劳损伤机制探究实验中，发现增强体颗粒使得可能发生的损伤被均匀化，增加了裂纹偏转和分叉的概率，提高了材料的抗疲劳性(巴颖等，2014)。
　　7) 不吸潮、不老化、气密性好
　　与聚合物基复合材料相比，金属基复合材料组织致密，性质更加稳定，不存在聚合物老化分解和吸潮的问题，其性能也不会发生自然退化。作为航空航天材料使用时，其在真空、辐照、高温等极端服役环境中不会分解产生低分子物质污染仪器和设备，在航空航天高温构件等领域，金属基复合材料的应用前景要远优于聚合物复合材料。
　　总之，金属基复合材料具有高比强度、高比模量、良好耐高温性能等优异性能，成为各国进行技术发展和竞争的重要领域。在21世纪初～21世纪20年代，国内外对金属基复合材料的研究过程中，金属基复合材料已在航空航天、电子封装、汽车等领域得到广泛应用，并且仍然具有极大的发展空间和应用前景。
　　1.2　金属基复合材料发展历史
　　1.2.1　国外发展历史
　　国外对于金属基复合材料的研究起步较早，具体起源可追溯到20世纪50～60年代。1963年，美国国家航空航天局(NASA)利用液相浸渗法成功制备出10%钨丝增强铜基复合材料，其比铜基合金强度提高了90%以上，而导热系数仅下降4%，该材料的应用推动了航空航天技术的发展，这也被认为是金属基复合材料研究的标志性起点。此后20年间金属基复合材料的研究与应用主要集中在满足发展高性能武器装备的军事需要。
　　20世纪70年代末，粉末冶金法制备复合材料的工艺逐渐成熟，以粉末冶金法制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料进入人们的视野并得到广泛应用，成功开启了这类复合材料的商业化制造(聂双喜，2008)。20世纪80年代，金属基复合材料的研发进入快速发展阶段，其重点转变为开发低成本且性能优异的增强体，多种新型非连续增强体(晶须、短纤维)的问世增强了相关企业对金属基复合材料研发和应用的信心。以铝基复合材料为例，1982年，日本丰田汽车公司率先报道了Al2O3 SiO2/Al复合材料在汽车发动机活塞上的应用，次年推出陶瓷短纤维增强铝基复合材料的局部铝活塞，使金属基复合材料在工业应用中取得了突破性的进展，图1.4为SiC颗粒(SiCp)增强铝基复合材料制备的活塞在汽车发动机上的应用示意图。此后，金属基复合材料逐渐成为不可替代的战略性新材料，其发展水平成为衡量一个国家材料科技水平的指标之一，世界多国开始加强复合材料的研制和开发水平，从而极大地推动了金属基复合材料在多领域应用的进程。