金属／碳复合材料的分类及性能

金属基复合材料(metalmatrixcomposites，MMCs)借助于各组元的复合效应、增强相的尺寸效应和界面效应，在材料的组分、结构和分布等方面具有极强的可调控、可设计、可集成和可兼容等诸多特性，可实现材料综合性能的柔性控制，突破单一组分不具备的力学和功能特性，因而在航空航天、交通运输、电子信息等国家重大领域中具有重要的应用前景。

作为MMCs的重要构成部分，增强相不仅被要求具有良好的力学性能和功能性能，还应与基体之间具备良好的化学稳定性和相容性。碳材料(石墨、金刚石、碳纤维、碳纳米管和石墨烯等)由于拥有优异的综合性能，与金属复合在MMCs领域有着巨大的发展和应用潜力。

1. 石墨

作为金属基复合材料导热增强相的石墨包括石墨颗粒和石墨片两类。其中石墨片具有导热各向异性，虽然沿其厚度方向的热导率很低，但是其面内的热导率非常高，适合作为各向异性散热材料的增强相。此外，石墨矿藏储量丰富，成本低，有利于金属复合材料的工业化生产。Ｐｒｉｅｔｏ等利用石墨片作为金属基复合材料的导热增强相，由于石墨片容易堆积，所以他们分别利用碳纤维和碳化硅颗粒隔离石墨片以方便熔体能浸透到预制体中。表１（Ｖｐ表示增强相占复合材料的体积分数；ＣＦ为碳纤维）列举了不同比例石墨片和碳化硅配比制得的预制体，然后浸透铝液获得的不同金属基复合材料的热导率以及热膨胀系数。

表１　不同石墨比例的复合材料的性能

从表１可以看出，用廉价的石墨片作为导热增强相的金属基复合材料，其热导率具有明显的各向异性，复合材料在沿石墨片取向方向上具有较高的热导率。具有优异的导热性能，可以加工成各类散热组件。石墨片作为导热增强相的金属基复合材料相比金属基金刚石复合材料，金属基石墨复合材料成本更低，而且容易通过机械加工获得不同形状的组件。

2. 金刚石

金刚石具有高导热率(约1850W/(m·K))、低膨胀系数(约2×10-6K-1)、低密度等优异的物理性能，随着其制造成本的下降，金刚石与金属结合制备新型金属基复合热管理材料具备了可行性。因此，近些年来以工业金刚石作为增强相的金属基高导热复合材料也成为金属基高导热复合材料的重要研究方向之一。图1展示了不同导热材料的热膨胀系数和热导率。

 

图1. 不同导热材料的热膨胀系数和导热系数

在一个恰当的接触时间，铝基金刚石复合材料热导率可达到６８０Ｗ／（ｍ·Ｋ）。金刚石是一种优秀的导热增强相，金属基金刚石复合材料热导率很高，而且由于金刚石颗粒导热的各向同性，复合材料也是导热各向同性的，不像石墨片和碳纤维的复合材料常具有导热各向异性。但是，由于金刚石相对于石墨和碳纤维而言成本比较高，且复合材料硬度大，加工困难，运用于工业生产还有待于人工金刚石成本的降低和加工技术的改进。

3. 碳纤维

碳纤维拥有多种优异的物化性能，不仅具有耐高温、耐摩擦、耐腐蚀、耐疲劳的特性，更重要的是其还具有优良的导电导热性能以及较低的热膨胀系数。表2列举了美国Ｍｅｔａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃａｓｔ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．ＬＬＣ公司的ＭｅｔＧｒａｆＴＭ系列的石墨纤维增强铝、铜基复合热管理材料产品的主要性能，这些材料的最终形态可制备成如图2所示的用于不同设备的热管理组件以适用于不同条件下的微电子器件的散热要求。　

表2　４种ＭｅｔＧｒａｆＴＭ的产品性能　

图2. ＭｅｔＧｒａｆＴＭ系列某些产品的实物图

4. 碳纳米管

作为准一维纳米材料，碳纳米管(carbonnanotubes，CNTs)弹性模量约为1.0TPa，轴向热导率和电导率可分别达到约6600W/(m·K)和102~106S/cm[10]。CNT与碳纤维相比，尺度更加细小，拥有高的比强度和比模量及良好的电学和热学等性能，被认为是铝基复合材料理想的增强体，有关CNT/Al复合材料的研究已有很多报导。其制备方法主要分为两大类，一类是通过外加的方法(ex-situ)，即先通过一定的制备技术，如CVD、电沉积(ED)和溶胶凝胶(sol-gel)等方法制备出CNT，再将CNT 与Al基体进行混合、成型后获得块体材料；另一类是原位生长的制备方法，主要包括CVD法、ED 法等。原位合成法能够实现CNT分散得更加均匀，获得CNT与Al基体更好的界面结合，在成型过程中更易保持CNT的完整结构。与此同时，原位合成法生产简便，工艺参数可控，合成CNT质量高，是未来金属基复合材料制备行之有效、易于推广的方法。

5. 石墨烯

石墨烯(graphene，GR)弹性模量约为1TPa，断裂强度高达约130GPa，是目前强度最高的材料。不仅如此，石墨烯还具有高的面内载流子迁移率(约2×105cm2/(V·s))和面内热导率(约5000W/(m·K))。目前以GR为添加体制备的复合材料中，以聚合物基复合材料居多，GR增强陶瓷材料也表现出了优异的力学和电学性能。近些年，GR增强金属基复合材料的研究热度因为航空航天汽车轻量化等需求的增强而迅速升温，在制备方法、力学性能、界面结构方面的研究也在不断深入。

目前制备GR/Al复合材料存在与CNT/Al复合材料类似的问题，主要区别在于：(1)GR具有更大的比表面积，更易团聚，易造成其均匀分散性难以控制；(2)GR的尺寸更大，在成型过程中其结构更易遭到破坏；(3)GR边缘较多，更易造成Al-C界面反应产物Al4C3的大量生成。为解决外加法带来的问题，研究人员正尝试采用原位合成的方法。目前，CVD是制备GR的主要合成方法，该方法借助催化剂在Al基体上诱导分解的碳源合成GR，再成型加工成块体材料。

将碳材料与金属复合有望显著提高其结构性能和功能特性。然而，由于碳材料和金属在密度、比表面积和表面化学性质等方面具有显著差异，常导致碳/金属复合材料界面结合较弱，从而极大地降低了复合材料的综合性能，成为制约碳/金属复合材料发展和应用的关键。

作为连接复合材料基体与增强相的“纽带”，界面是应力等其它信息传递的桥梁。复合材料的界面特性对未来复合材料向结构功能一体化等高性能方向的发展将起到决定性作用。因此，如何通过优化碳/金属复合材料的界面结构提高复合材料的综合性能，成为碳材料增强MMCs领域极其重要的研究方向。由于篇幅有限，关于优化碳/金属复合材料的界面结构问题将在后续文章中介绍。

参考文献：

《金属／碳复合材料在热管理领域的应用》童伟，姚争争，陈名海，刘宁，李清文，徐文雷

《多维度碳纳米相增强铝基复合材料研究进展》赵乃勤，刘兴海，蒲博闻

《碳/金属复合材料界面结构优化及界面作用机制的研究进展》范同祥，刘悦，杨昆明，宋健，张荻