Materialele de acest tip au proprietăţile influenţate de trei factori:
- natura şi structura matricei metalice,
- tipul de material de umplutură,
- interfaţa matrice / material de umplutură.
Se admite în general existenţa a trei categorii de compozite metalice, diferenţiate pe baza materialului de umplutură care poate fi sub formă de particule, fibre scurte şi fibre lungi sau folii.
Ca materiale pentru matrice se pot utiliza o mulţime de metale şi de aliaje. Cele mai des folosite sunt prezentate în continuare.
Aliajele de aluminiu, şi-au găsit numeroase aplicaţii în industria aeronautică datorită densităţii lor scăzute, a rezistenţei mecanice, a durităţii şi a rezistenţei la coroziune. Sunt de amintit aliajele Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu şi Al-Li cu microelemente de aliere (Mg, Cu, Zr) care au densitate redusă şi modul de elasticitate mare. Aliaje de aluminiu capabile să concureze aliajele de titan se obţin prin mărirea rezistenţei mecanice datorită prezenţei unor compuşi intermetalici ai metalelor tranziţionale. Astfel sunt compoziţiile Al-Fe-V-Si care prin solidificare rapidă formează structuri fin granulate care conţin siliciuri sferice de 40-50 nm de Al2(Fe,V)3Si.
Aliajele de titan se creează având ca obiectiv obţinerea unor rezistenţe specifice mari pentru materiale cu temperatură de topire relativ ridicată, rezistenţă mecanică bună chiar şi la temperaturi mari şi rezistenţă la coroziune; aceste materiale sunt utilizate în industria aeronautică şi aerospaţială, la fabricarea de turbine, palete de compresor, fuselaje şi a altor piese, utilizarea lor pe scară mai largă fiind limitată de preţ.
Aliajele de magneziu formează o altă categorie de materiale uşoare utilizate în industria aeronautică. Acest tip de materiale sunt dificil de prelucrat la rece.
Aliajele de cupru se utilizează în obţinerea de conductori sau supraconductori (cu niobiu de exemplu).
Compuşii intermetalici au structuri cu grad de ordonare ridicat ceea ce determină variaţii mai mici ale proprietăţilor la creşterea temperaturii dar şi ductilităţi foarte scăzute, care pot fi ameliorate prin aliere cu bor, element ce modifică interfaţa dintre granulele cristalitelor. Un exemplu este siliciura de molibden, MoSi2, care prezintă stabilitate la temperaturi de până la 1200oC în atmosferă oxidantă, utilizată de aceea pentru elementele de încălzire în furnale.
Compozită oxid de aluminiu - metal (Al2O3 - M): oxidul de aluminiu – alumina – are o compatibilitate redusă cu topitura de aluminiu. Fibrele de alumină se utilizează pentru obţinerea de compozite cu matrice de aluminiu aliat cu litiu, prin realizarea de structuri chimice stabile la interfaţă, de tipul LiAlO2. Alumina se mai poate utiliza ca material de umplutură în asociere cu matrici din aliaje de magneziu. Alături de oxid de aluminiu, fibrele pot conţine şi oxid de zirconiu, ZrO2, care poate determina apariţia, la interfaţă cu o matrice de aluminiu ,de combinaţii intermetalice ZrAl3. Fibrele utilizate pot conţine numai alumină (fibra FP cu 99% a-alumină, fibra Almax cu 99,5%) sau alumină aliată cu alţi oxizi (Sumika: 85% alumină şi 15% SiO2, Nextel: 62% alumină, 14%B2O3 şi 24%SiO2, Saffil cu 95%alumină policristalină şi 5%SiO2). Mărirea compatibilităţii acestor fibre cu topiturile de metale se face prin depuneri din stare de vapori de nichel sau aliaje ale acestuia cu titanul. În acest caz matricea poate fi alcătuită din aliaje de aluminiu, de crom sau de nichel.
Compozita carbură de siliciu - metal (SiC - M): Carbura de siliciu, SiC, se poate prezenta sub formă de fibră, microfibră sau pulbere. Fibrele SiC sunt compatibile cu aliajele de aluminiu şi de magneziu dar nu sunt complet stabile în aliajele de titan ceea ce determină apariţia unei varietăţi de compuşi la interfaţă, funcţie de compoziţia aliajului, determinând proprietăţile compozitei. Acest fapt este prevenit prin acoperirea fibrei cu un film de TiB2.
Fibra de SiC se obţine prin depunerea chimică a vaporilor, pe un suport de filamente de wolfram sau de carbon şi stabilizarea superficială cu un strat nestoechiometric, bogat în SiC. Comercial sunt cunoscute sub numele de SCS (Textron). O altă metodă de obţinere porneşte de la precursori organici de tipul policarbosilanilor reticulaţi în atmosferă de oxigen şi supuşi apoi pirolizei. Ele prezintă o bună rezistenţă şi rigiditate iar stabilitatea termochimică, densitatea şi coeficientul de dilatare termică sunt mai mici decât a compuşilor ceramici refractari. Cele mai cunoscute sunt comercializate sub numele de Nicalon (Nippon Carbon), Tyranno şi Lox-M (UBE Industries Ltd.) Tratarea lor superficilală se poate face prin oxidare pasivă, cu cantităţi mari de oxigen, când se obţin suprafeţe netede sau prin oxidare activă, în atmosferă săracă în oxigen, cu obţinerea de suprafeţe rugoase.
Compozite fibră de bor – metal (B/W- M): Fibrele de bor au o rezistenţă similară cu a celor de sticlă şi un modul de elasticitate asemănător cu al fibrelor carbon. Ele se obţin prin depunerea pe o sârmă de wolfram, fierbinte, a borului rezultat din reacţia de reducere a clorurii de bor cu hidrogenul:
3BCl3(g) + 3 H2(g)
3B(s) + 6HCl(g)
Fibrele de bor sunt uşor udate de materialul matricii care poate fi polimeric sau metalic, în special aluminiu. Dezavantajul constă în reactivitatea mărită a borului faţă de majoritatea metalelor, incluzând aluminiu, titan sau magneziu, de aceea fibrele de bor se protejează cu un strat de nitrură de bor, BN, carbură de siliciu, SiC, sau carbură de bor, B4C3. Compozitele cu fibră de bor au aplicaţii care cuprind fabricarea navelor spaţiale, aplicaţii militare dar şi în fabricarea de echipamente sportive uşoare şi rezistente.
Compozite fibră de carbon - metal (C - M): Utilizarea fibrelor carbon ca agenţi de ranforsare în compozite metalice a fost studiată în ultimii 15 ani. Acoperirea fibrelor carbon cu pelicule de borură de titan, Ti-B, sau silice,SiO2, reprezintă un mod de reglare a compatibilităţii lor cu matricea metalică, de obicei din aluminiu şi aliajele sale, realizând o reglare a proprietăţilor materialului.
Compozite hibride sunt materiale care conţin două sau mai multe tipuri de fibre şi matrici alese pentru satisfacerea unor cerinţe specifice pe care materialul trebuie să le îndeplinească. Înlocuirea parţială a fibrelor scumpe cu fibre mai ieftine reprezintă un alt motiv al apariţiei acestui tip de materiale. O compozită hibridă cu rezistenţă remarcabilă la oboseală este obţinută alternând straturi de aliaj de aluminiu de înaltă rezistenţă cu straturi de fibră aramid în matrice de răşină epoxi în materialul numit ARALL, utilizat la obţinerea de fuselaje, aripi inferioare etc.