什麼是金屬基複合材料

以鋁等金屬為基材，以SiC粒子或纖維強化的複合材料（MMC）。可提高剛性與耐磨耗性，並減小熱膨脹。

日文名稱: 金属基複合材料

「金屬基複合材料」出現在1領域的1道練習題中（複合材料等）。

這個名詞所屬的領域: 複合材料

基材與強化材的組合

金屬基複合材料（MMC）是以鋁、鎂、鈦、銅等金屬為基材，以SiC或Al₂O₃ 的粒子、短纖維、長纖維等強化的材料。以粒子強化的鋁合金使用最多，粒子的量從體積約10〜20%，到散熱用材料中超過60%的都有。它比以高分子為基材的複合材料耐熱性高，比陶瓷韌性與熱傳導率高，是以兩者中間的性質為目標的材料。以Co結合WC粒子的超硬合金，廣義上有時也被視為MMC的一種。

性質的估算

以粒子強化之複合材料的楊氏模數，介於混合法則的上限（各相應變相等時）與下限（應力相等時）之間。在鋁（70 GPa）中加入體積20%的SiC粒子（410 GPa）時，上限約為138 GPa，下限約為84 GPa，實際的值多半在兩者之間的100 GPa左右。線膨脹係數也依粒子量下降，加入大量粒子時，可從基材的約23×10⁻⁶ K⁻¹ 降到接近半導體或陶瓷基板的值。能在保持高熱傳導率的同時只減小膨脹，是在散熱材料上的優點。

製造方法與界面的問題

MMC以在熔融金屬中混入粒子再鑄造的攪拌鑄造、混合金屬與強化材的粉末再燒結固化的粉末冶金、以壓力把熔湯滲入強化材成形體的加壓含浸等方法製造。熔融金屬多半不易潤濕粒子，粒子容易聚集而分布不均，也容易殘留空隙，是其課題。此外，在高溫下長時間接觸時，SiC會與鋁反應形成脆的 Al₄C₃，因此要管理溫度、時間與基材的Si量。冷卻時膨脹差使粒子周圍的差排增加，也會影響強度。

使用的場合與弱點

以鋁合金為基材、SiC為強化材的MMC，已用於功率半導體模組的散熱板、精密機器的結構零件、煞車零件、自行車車架等。其弱點是硬粒子使切削刀具很快磨耗而需要鑽石刀具、延性與韌性比基材低、價格高，以及因含有粒子而不易回收再利用。因此一般只限於用在剛性、耐磨耗性、低熱膨脹中任一項特別重要，而其他材料無法滿足要求的零件上。

練習金屬基複合材料的題目

以SiC粒子強化鋁合金的金屬基複合材料（MMC），其性質下列何者正確？

A與基材鋁合金相比，楊氏模數與耐磨耗性較高，線膨脹係數較小，但延性與韌性下降
B與基材鋁合金相比，線膨脹係數變大，延性也大幅提升
CSiC粒子完全不與熔融的鋁反應，因此無論在什麼溫度製造，界面都不會產生反應生成物

查看答案與解析

正確答案：A. 與基材鋁合金相比，楊氏模數與耐磨耗性較高，線膨脹係數較小，但延性與韌性下降

加入楊氏模數約為400 GPa 而高、線膨脹係數約為4×10⁻⁶ K⁻¹ 而小的 SiC 粒子後，複合材料的楊氏模數與耐磨耗性高於基材鋁合金，線膨脹係數則變小。線膨脹係數可接近半導體或陶瓷基板，因此用於功率半導體的散熱板等。另一方面，硬粒子周圍容易產生裂縫，延性與韌性下降。線膨脹係數變大且延性提升的說明兩者都相反。此外，SiC 有時會與高溫的熔融鋁反應而生成脆的 Al₄C₃，因此要調整製造溫度或基材的 Si 含量以抑制反應。

常見問題

MMC與FRP有什麼不同？

基材不同。FRP以樹脂、MMC以金屬為基材，因此MMC耐熱性高，導熱與導電良好。另一方面，密度較大，製造費用也容易較高。

MMC比一般的鋁合金強嗎？

楊氏模數與耐磨耗性大幅提高，降伏強度也多半較高，但伸長率與韌性會下降。若只以強度為目的，經熱處理的鋁合金往往就足夠了。

AlSiC是什麼？

是在鋁中含有大量SiC的MMC，用於電子零件的散熱板與封裝。能良好地導熱，同時使熱膨脹接近半導體或陶瓷基板，因此可減少銲點的熱應力。

出現「金屬基複合材料」的題目（1題）

以SiC粒子強化鋁合金的金屬基複合材料（MMC），其性質下列何者正確？