金属基复合材料的应用
汽车工业的应用篇·内燃机方面
01、活塞是汽车发动机中传递能量的一个非 常重要的构件 02、工作条件：高温高压及高应力状态，并 与活塞环、气缸壁之间不断产生摩擦，润滑 条件不充分，工作条件极其恶劣。 03、传统材料：铝硅合金/铸铁
活塞环
活塞
活塞
活塞销
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汽车工业的应用篇·内燃机方面
发
动

发
机
动
缸
机
套
缸
体
缸体及缸套
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03、实验表明
缸体及缸套
采用含量为 10%~20%氧 化铝或碳化硅
铸铁发动机 气缸体/套
非连续增强铝
基复合材料涂 层制造缸套， 可减少质量 3~4.5Kg，并 可提高发动机 工作效率，改 善热传导，提
铝合金气 缸体，铸 铁气缸套
发 动 机 摇 臂
摇臂
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汽车工业的应用篇·内燃机方面
03、典型的金属基复合材料——硬质合金 硬质合金是指以一种或几种难熔碳化物（如碳化钨、碳 化钛等）的粉末为主要成分，加人起粘结作用的金属钴 粉末，用粉末冶金法制得的材料。
摇臂
04、硬质合金的性能特点 硬质合金硬度极高，高于任何一种钢，且热硬性、耐磨 性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。脆性大。
日本马自达
多孔性镍泡沫体增强SL3.5L 直喷式涡轮增压柴油机活塞 的第一道环槽部分
发动机功率提高了10%，磨损减少 了20%，重量减轻10%。（与镶奥 氏体铸铁圈活塞相比）
美国Atlantic Richfield公司
真空热压碳化硅颗粒或晶须 耐热性，耐磨性和强度非常好（
增强的铝基复合材料活塞
装机试车试验）
减少质量，提高耐磨 性，提高发动机输出 功率，降低油耗。（ 与铸铁缸套的铝缸体 相比）
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01、连杆是发动机的运动件,减轻其重量就能降低发动机 噪声和振动;减小其摩擦损失,发动机燃油消耗率就能得到 改善。
连杆
发动机活塞连杆
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汽车工业的应用 and
其他工业的应用
01
汽车工业的 应用篇
1、内燃机方面 2、制动系统 3、传动系统 4、其他应用
金属基复合材料的应用
02
其他工业的 应用篇
1、电力行业 2、体育用品 3、电子和光学仪器 4、其他领域
（重量减轻许多）
发展历程
金属基 复合材料 气缸体/套
（缸体内径部位 得到增强）
高缸体刚性和
过共晶铝硅合
尺寸稳定性，
金气缸体/套
金属基复合材料的应用
减少摩擦。
（生产率低而生产成本高）
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缸体及缸套
初代的本田Prelude的1.8L排量的EK型发动机
日本本田气缸体
日本本田公司
12%氧化铝短纤维和 9%碳纤维增强的铝基 MMC（16气门、排量 2L的Preluda发动机 缸体）
丰田86漂移赛车 发动机
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01、轿车发动机中的摇臂是主要的运动部件之 一，因此减小它的质量对节省燃油，提高燃油 效率，减少排放具有非常积极的意义，它的头 部要求有良好的耐磨性。
发 动 机 摇 臂
摇臂
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02、日本采用铝合金上镶嵌硬质合金头的技术，与钢 摇臂相比，既减小了质量，也满足了耐磨的要求。而采 用铝基复合材料摇臂，质量将更小，优异的耐磨性能可 提高摇臂的工作效率和工作寿命，较小的质量可使摇臂 的运动惯性减小，节省了燃油，提高了发动机的燃油效 率，降低了排放。
04、随着发动机向大功率、高速度、低能耗的方向 发展 ,对活塞材料提出了越来越高的要求。
日本丰田汽车公 司
美国的活塞制造 厂家
5%氧化铝短纤维局部增强铝 合金活塞
陶瓷纤维增强镶环
质轻，耐磨性好（磨损减少1/5） ，高温强度高，热稳定性和导热 性好，寿命提高。（与铝合金活 塞相比）
重量减轻，满足性能要求，可消 除由于热循环应力，塑性变形和 蠕变引起的热疲劳裂纹，提高发 动机效率。（与高镍铸铁镶环活 塞相比）
连杆
日本丰田汽 车和美国杜 邦公司
连续氧化铝纤维增
强复合材料连杆（ 应用到FX-1实验赛 车上）
比刚连杆重量减轻1/3，而且还可提 高燃油利用率，减少发动机的震动， 是发动机具有更快的反应特性。
日本Mazda 公司
氧化铝/铝合金复 合材料连杆
重量轻，比钢质连杆轻35%，抗拉强 度和疲劳强度高，分别为560MPa和 392MPa。而且线性膨胀系数小，可满 足两岸工作时性能要求。
部分应用实例
活塞
活塞镶环
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活塞
日本丰田汽车
丰田汽车 活塞配件
1986年日本丰田汽车公司生产的陶瓷纤维增强复合材料月产 量可达28000多件，年产量相当于35万件，并在市场上已知 公开销售这种活塞。
日本Art金属制造公司于1986年投产了一条缸径在200mm以下 的发动机复合材料活塞专用生产线，当年月产量10万只，供 应丰田公司，并努力向世界范围扩展。
市场供应
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01、用 MMC生产内燃式发动机缸体具有很大 的技术意义 ,因为这一部件的世界年销售量很 大 , MMC用于这一部件的突破预示它作为大工 业主体材料时代的到来。
02、 性能要求：由于气缸承受高温载荷，需 要具备抗磨损、耐擦伤、耐疲劳和抗蠕变等各 种性能。
金属基复合材料用于汽 车工业主要是颗粒增强和短 纤维增强的铝基、镁基、钛 合金等有色合金基复合材料。 由于铝合金、镁合金等是传 统的轻质材料，随着汽车轻 量化进程的不断推进和科学 技术的日益进步，将来在汽 车工业中采用铝合金、镁合 金的要求越来越高，要求其 具有良好的耐磨、抗腐蚀、 耐热和尺寸稳定性，并且要 求质量更轻，强度、刚度更 高。
美国杜邦公 司与克莱斯 勒公司
日本本田研 究开发中心
碳化硅纤维增强铝 锂合金基汽车连杆
不锈钢增强铁基合 金连杆
密度小，强度好，膨胀系数低，其刚 度、强度和疲劳极限都能够满足高性 能汽车的材质要求，且使用这种连杆 可以提高发动机的效率。
质量减少30%，应用于家庭轿车上， 提高了发动机功率和燃油经济性。