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金屬基複合材料是上世紀60年代發展起來的一門相對較新的材料科學，是複合材料的乙個分支。隨著航天、航空、電子、汽車以及先進**系統的迅速發展對材料提出了日益增高的效能要求，除了要求材料具有一些特殊的效能外，還要具有優良的綜合性能，這些都有力地促進了先進複合材料的迅速發展。電子、汽車等民用工業的迅速發展又為金屬基複合材料的應用提供了廣泛的前景。
特別是近年來，由於複合材料成本的降低，製備工藝逐步完善，在21世紀金屬基複合材料將會得到大規模的生產和應用。
本文主要介紹金屬基複合材料的基體材料。
一、金屬機體的作用：
固結增強體，與增強體一道構成複合材料整體，保護纖維使之不受環境侵蝕； 傳遞和承受載荷，在顆粒增強金屬基複合材料中基體是主要承載相，在纖維增強金屬基複合材料中，基體對力學效能的貢獻也遠大於在聚合物基體和陶瓷基體在複合材料中的貢獻；賦予複合材料一定形狀，保證複合材料具有一定的可加工性;複合材料的強度、剛度、耐高溫、耐介質、導電、導熱等效能均與基體的相應性質密切相關。
二、金屬基體占得比重：
基體在複合材料中占有很大的體積百分數。在連續纖維增強金屬基複合材料中基體約佔50%一70％的體積，一般佔60%左右最佳。顆粒增強金屬基複合材料中根據不同的效能要求，基體含量可在90%一25％範圍內變化，多數額粒增強金屬基複合材料的基體約佔80%一90％。
而晶須、短纖維增強金屬基複合材料基體含量在70％以上，一般在80一90％。
三、金屬基體的優勢：
金屬是最古老、最通用的工程材料之一，它們有許多成熟的成型、加工、連線方法可供金屬基複合材料借鑑。在使用壽命、效能測試等方面有豐富的技術資料；對金屬基體自身的效能積累有豐富的資料，對它們在使用中的優缺點擁有豐富的經驗。彈性模量和耐熱性高；強度高，還可以通過各種工程途徑來進行強化；塑性、韌性好，是強而韌（strong and tough)的材料; 電、磁、光、熱、彈等效能好，有應用於多功能複合材料的發展潛力。
四、金屬基體的種類
金屬與合金的品種繁多，目前用作金屬基體材料的主要有鋁及鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、鋼與銅合金、鋅合金、鉛、鈦鋁金屬間化合物等。
五、金屬基體選取的原則
基體材料成分的正確選擇，對能否充分組合和發揮基體金屬和增強物的效能特點，獲得預期的優異綜合性能滿足使用要求十分重要。所以，在選擇基體金屬時應考慮以下幾方面：
1、根據金屬基複合材料的使用要求
金屬基複合材料構件的使用效能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據。在航天、航空技術中，高比強度和比模量以及尺寸穩定性是最重要的效能要求；作為飛行器和衛星的構件宜選用密度小的輕金屬合金（如鎂合金和鋁合金）作為基體，與高強度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨/鎂、石墨/鋁、硼/鋁複合材料。
高效能發動機則要求複合材料不僅有高比強度和比模量，還要具有優良的耐高溫效能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作為基體材料。如碳化矽/鈦、鎢絲/鎳基超合金（高溫合金）複合材料可用於噴氣發動機葉片、轉軸等重要零件。
在汽車發動機中要求其零件耐熱、耐磨、導熱、一定的高溫強度等，同時又要求成本低廉，適合於批量生產，因此選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）/鋁基複合材料。如碳化矽/鋁複合材料、碳纖維或氧化鋁纖維/鋁複合材料可製作發動機活塞、缸套等零件。
工業積體電路需要高導熱、低膨脹的金屬基複合材料作為散熱元件和基板。
因此，可以選用具有高導熱率的銀、銅、鋁等金屬為基體與高導熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化矽顆粒復合成具有低熱膨脹係數和高導熱率、高比強度、高比模量等效能的金屬基複合材料。
2、根據金屬基複合材料組成特點
選用不同型別的增強材料如連續纖維、短纖維或晶須，對基體材料的選擇有較大影響。
例如在連續纖維增強的複合材料中，基體的主要作用應是以充分發揮增強纖維的效能為主，基體本身應與纖維有良好的相容性和塑性，而並不要求基體本身有很高的強度。因此，考慮到要充分發揮纖維的作用，希望選用塑性較好的基體。實驗證明，此時如果採用較高強度的合金材料，複合材料的效能將有所降低。
如碳纖維增強鋁基複合材料中，純鋁或含有少量合金元素的鋁合金作為基體比高強度鋁合金要好得多，使用後者製成的複合材料的效能反而低。
在研究碳鋁複合材料基體合金的優化過程中發現，鋁合金的強度越高，複合材料的效能越低。這可能與基體和纖維的介面狀態、脆性相的存在、基體本身的塑性等有關。相反。
對於非連續增強（顆粒、晶須、短纖維）金屬基複合材料，基體的強度對複合材料具有決定性的影響，因此，要選用較高強度的合金來作為基體。所以，要獲得高效能金屬基複合材料必須選用高強度鋁合金作為基體，這與連續纖維增強金屬基複合材料基體的選擇完全不同。如顆粒增強鋁基複合材料一般選用高強度鋁合金（如a365，6061，7075）為基體。
3、基體金屬與增強物的相容性
首先，由於金屬基複合材料需要在高溫下成型，製備過程中，處於高溫熱力學非平衡狀態下的纖維與金屬之間很容易發生化學反應，在介面形成反應層。介面反應層大多是脆性的，當反應層達到一定厚度後，材料受力時將會因介面層的斷裂伸長小而產生裂紋，並向周圍纖維擴充套件，容易引起纖維斷裂，導致複合材料整體破壞。
其次，由於基體金屬中往往含有不同型別的合金元素，這些合金元素與增強物的反應程度不同，反應後生成的反應產物也不同，需在選用基體合金成分時充分考慮，盡可能選擇既有利於金屬與增強物浸潤復合，又有利於形成合適穩定的介面合金元素。如碳纖維增強鋁基複合材料中，在純鋁中加入少量的ti，zr等合金元素可明顯改善複合材料的介面結構和性質，大大提高複合材料的效能。用鐵、鎳作為基體，碳纖維作為增強物是不可取的。
因為ni，fe元素在高溫時能有效地促使碳纖維石墨化，破壞了碳纖維的結構，使其喪失了原有的強度，使複合材料效能惡化。
因此，選擇基體材料時，應充分注意與增強物的相容性（特別是化學相容性），並盡可能在複合材料成型過程中抑制介面反應。例如：對增強纖維進行表面處理；在金屬基體中新增其他成分；選擇適宜的成型方法；縮短材料在高溫下的停留時間等。
六、一些常用金屬基體
鋁、鎂複合材料一般只能用在450 ℃左右、而鈦合金基體複合材料可用到650℃ 、而鎳、鈷基複合材料可在1200℃使用。另外，還有最近正在研究的金屬間化合物為熱結構複合材料的基體。
1、用於450 ℃以下的輕金屬基體
在這個溫度範圍內使用的金屬基體主要是鋁、鎂和它們的合金，而且主要是以合金的形式被廣泛的應用。例如，用於太空梭、人造衛星、空間站、汽車發動機零件、剎車盤等，並已形成工業規模生產。
鋁是一種低密度、較高強度和具有耐腐蝕性能的金屬。在實際使用中，純鋁中常加入鋅、銅、鎂、錳等元素形成合金，由於加入的這些元素在鋁中的溶解度極為有限，因此，這類合金通常稱為沉澱硬化合金，a1--cu--mg、a1--zn--mg--cu等沉澱硬化合金 。近年來，為航空和航天工業開發出的a1--li系列合金，進一步提高了鋁的彈性模量，降低了材料的密度。
鎂是一種比鋁更輕的金屬，但鎂的機械效能較差，因此，通常是在鎂中加入鋁、鋅、錳、鋯及稀土元素而形成鎂合金。目前常用的鎂合金主要包括mg--mn，mg--al--zn，mg---cr等耐熱合金，可作為連續或不連續纖維複合材料的基體。
對於不同型別的複合材料應選用合適的鋁、鎂合金基體。例如，連續纖維增強金屬基複合材料一般選用純鋁或含合金元素少的單相鋁合金；而顆粒、晶須增強金屬基複合材料則選擇具有高強度的鋁合金。
2、用於450-700 ℃的複合材料的金屬基體
通過各種研究表明，在這個溫度範圍內可以作為金屬基複合材料基體使用的，目前主要是鈦及其合金。鈦有兩種晶形，α-鈦具有六方密堆積排列結構，低於885℃時穩定；β-鈦是體心立方結構，高於885℃時穩定。金屬鋁能提高鈦由α向β相轉變的溫度，所以鋁是α相鈦的穩定劑。
而大多數其他合金元素(fe、mn、cr、mo、v、nb、ta)能降低鈦由α向β相轉變的溫度，所以是β相鈦的穩定劑。
鈦在較高的溫度中能保持高強度，優良的抗氧化和抗腐蝕效能。它具有較高的強度／質量比和模量／質量比，是一種理想的航空、宇航應用材料。鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強度高等特點，是一種可在450～700 ℃溫度下使用的合金，主要用於航空發動機等零件上。
用高效能碳化矽纖維、碳化鈦顆粒、硼化鈦顆粒增強鈦合金，可以獲得更高的高溫效能。美國己成功地試製成碳化矽纖維增強鈦複合材料，用它製成的葉片和傳動軸等零件可用於高效能航空發動機。
3、用於600-900 ℃的複合材料的金屬基體
鐵和鐵合金是在此溫度範圍內使用的金屬基體。在金屬基複合材料中使用的鐵，主要是鐵合金，按加工工藝分為變形高溫合金和鑄造高溫合金。其中，鐵基變形高溫合金是奧氏體可塑性變形高溫合金，主要組成為15％～60％鐵，25％～55％鎳和11％～23％鉻。
此外，根據不同的使用溫度，分別加入鎢、鉬、鈮、釩、鈦等合金元素進行強化。鐵基鑄造高溫合金是以鐵為基體，用鑄造工藝成型的高溫合金，基體為麵心立方體結構的奧氏體。鐵基變形高溫合金、鑄造高溫合金分別用於製造燃氣渦輪發動機的燃燒室和渦輪輪盤、渦輪導向葉片等。
4、用於1000 ℃以上的金屬基體
用於1000 ℃以上的高溫金屬基複合材料的基體材料主要是鎳基耐熱合金和金屬間化合物。其中，研究較為成熟的是鎳基高溫合金，金屬間化合物基複合材料尚處於研究階段。
在金屬基複合材料中使用的鎳與鐵相同，按照加工工藝不同，可形成鎳基變形高溫合金和鎳基鑄造高溫合金。鎳基變形高溫合金以鎳為基體(含量一般大於50％)，加入鎢、鉬、鈷、鉻、鈮等合金元素，使用溫度在650～1000℃，具有較高的強度、良好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力，用於製造燃氣渦輪發動機的燃燒室等。鎳基鑄造高溫合金是以鎳為基體，用鑄造工藝成型的高溫合金，能在600~1100℃的氧化和燃氣腐蝕氣氛中承受複雜壓力，並能長期可靠地工作，主要用於製造渦輪轉子葉片和導向葉片及其他在高溫條件下工作的零件。
另外，用鎢絲、釷鎢絲增強鎳基合金還可以大幅度提高其高溫效能。如高溫永續性能和高溫蠕變效能，一般可提高1.3倍，主要用於高效能航空發動機葉片等重要零件。
5、金屬間化合物使用溫度可達1600℃
金屬間化合物種類繁多，而用於金屬基複合材料的金屬間化合物通常是一些高溫合金，如鋁化鎳，鋁化鐵、鋁化鈦等，使用溫度可達1600℃。在這些高溫合金的晶體結構中，原子主要以長程有序方式排列。由於這種有序在金屬間化合物中發生位錯要比在無序合金中受到更大的約束，因此能使化合物在高溫下保持強度。
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