在過(guò)去的二十幾年中,金屬基復(fù)合材料逐漸向諸多領(lǐng)域擴(kuò)展其商業(yè)化應(yīng)用,已形成年產(chǎn)量近5000噸、年產(chǎn)值近20億美元的產(chǎn)業(yè)部門。據(jù)預(yù)測(cè),全球金屬基復(fù)合材料市場(chǎng)將保持5.9%的年增長(zhǎng)率。
金屬基復(fù)合材料最初發(fā)展的動(dòng)力來(lái)自航空工業(yè)領(lǐng)域。目前已用于軍機(jī)和民機(jī)的金屬基復(fù)合材料主要是鋁基和鈦基復(fù)合材料。DWA公司最早發(fā)展了粉末冶金制備金屬基復(fù)合材料的技術(shù)路線并保持領(lǐng)先地位至今。DWA公司已將鋁基金屬基復(fù)合材料應(yīng)用于F-16戰(zhàn)隼輕型戰(zhàn)斗機(jī)的腹鰭和加油口蓋板,Boeing777客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇導(dǎo)向葉片,AC-130武裝直升機(jī)的武器掛架,V-22魚(yú)鷹式傾斜旋翼直升機(jī)和F/A-18E/F超級(jí)大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)的液壓系統(tǒng)分路閥箱。以上應(yīng)用不但克服了原有材料的重大缺陷,同時(shí)也帶來(lái)明顯的減重效益。1998年后,鈦基復(fù)合材料進(jìn)入航空市場(chǎng),用鈦基金屬基復(fù)合材料制備的接力器活塞出現(xiàn)在F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)所用的F119燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上。
近年來(lái),金屬基復(fù)合材料不斷從軍事國(guó)防向民用領(lǐng)域滲透,大大擴(kuò)展了它的市場(chǎng)應(yīng)用。其中,汽車及交通運(yùn)輸是其主導(dǎo)市場(chǎng),用量占比超過(guò)60%。
隨著能源和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻,世界各國(guó)實(shí)行越來(lái)越嚴(yán)格的燃油效率標(biāo)準(zhǔn)和尾氣排放標(biāo)準(zhǔn),這迫使各汽車生產(chǎn)商采用輕質(zhì)的金屬基復(fù)合材料來(lái)取代目前的鑄鐵和鋼,實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化。一般認(rèn)為,汽車質(zhì)量每降低10%,燃油經(jīng)濟(jì)性就可提高5%,而對(duì)于成本極端計(jì)較的汽車市場(chǎng)而言,唯一能接受的只有鋁基金屬基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料主要用于那些需要耐熱耐磨的發(fā)動(dòng)機(jī)和剎車部件,如活塞、缸套、剎車盤和剎車鼓等,或者被用于那些需要高強(qiáng)高模量的運(yùn)動(dòng)部件,如驅(qū)動(dòng)軸、連桿等。目前,在陸上運(yùn)輸領(lǐng)域消耗的金屬基復(fù)合材料中,驅(qū)動(dòng)軸的用量超過(guò)50%,汽車和列車剎車件的用量超過(guò)30%。金屬基復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)軸在大型客車和卡車上盡顯優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的鋼或鋁合金驅(qū)動(dòng)軸相比,金屬基復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)軸可承受更高的轉(zhuǎn)速,同時(shí)產(chǎn)生較小的振動(dòng)噪聲;而且,比模量明顯高于鋼或鋁,因此大型客車和卡車可采用較長(zhǎng)的單根金屬基復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)軸而無(wú)需增大軸徑和重量。剎車件是金屬基復(fù)合材料用量增長(zhǎng)最快的部分,年增長(zhǎng)率超過(guò)10%。相對(duì)于鑄鐵和鋼,Al2O3或SiC顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料用作剎車材料可獲得高達(dá)50%~60%的減重效益及高耐磨、高導(dǎo)熱等性能特點(diǎn),可使慣性力、油耗和噪音都得到下降。目前,美國(guó)汽車三巨頭克萊斯勒、福特、通用均在新車型中采用鋁基金屬基復(fù)合材料剎車盤和剎車鼓。
在高速鐵路和列車方面,德國(guó)ICE列車是第一個(gè)應(yīng)用金屬基復(fù)合材料剎車盤的。ICE列車的剎車系統(tǒng)原來(lái)采用的是4個(gè)鑄鐵剎車盤,每個(gè)質(zhì)量達(dá)126kg,替換為顆粒增強(qiáng)鋁基金屬基復(fù)合材料剎車盤后,每個(gè)質(zhì)量?jī)H為76kg,帶來(lái)重大的減重效益。(一員)