金属复合材料的发展趋势

金属基复合材料 (metal matrix composites),简称 (MMCs)是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。它与聚合物基复合材料(PMCs)、陶瓷基复合材料(CMCs)以及碳/碳复合材料一起构成现代复合材料体系。

金属基复合材料具有以下的优势特点：

1、高比强度、高比模量

2、导电、导热性能

3、热膨胀系数小、尺寸稳定好

4、良好地高温性能

5、耐磨性好

6、疲劳性能和断裂韧度好

7、性能再现性及可加工性好

8、不吸潮、不老化、气密性好

金属基复合材料体系通常可简单地由作为基体的金属合金名称以及陶瓷增强体的材料类型、体积分数和形态来命名。如6061A1/30v/oSiC,指的是30％体积分数的碳化硅颗粒作为增强体的非连续增强6061铝合金，而连续增强的MMCs可由 SiCf来表示。

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金属复合材料

金属复合材料一般由两种或多种不同性质的金属或金属与非金属通过物理、化学或机械方法复合而成的一类新型材料。金属复合材料通过各组分材料间的协同效应，发挥各组分材料的优点，使材料呈现出优异的综合性能，从而满足特定场景的性能需求。金属复合材料根据其结构特点，可以分为金属基复合材料和层状金属复合材料。

金属基复合材料根据增强体的形态分为连续增强金属基复合材料和非连续增强金属基复合材料。连续增强金属基复合材料以连续纤维作为增强体，例如碳纤维增强金属基复合材料，连续增强金属基复合材料充分发挥了增强材料的性能，显著提升金属基体材料的强度和刚度；非连续增强金属基复合材料包括颗粒增强和短纤维增强及晶须增强金属基复合材料，颗粒增强通过弥散分布的颗粒提高材料性能，短纤维增强则凭借短纤维改善材料的综合性能。层状金属复合材料是通过爆炸复合、轧制复合或其他制备技术实现多类型基层金属的复合，产品表现出复合效益。

金属基复合材料（MMCs）是一类通过复合工艺将增强相（包括纤维、晶须、颗粒等）均匀分散于金属或合金基体中制备而成的先进工程材料。金属基复合材料是以金属材料为连续基体，与增强体有明显界面的人工材料，兼具金属基体的高韧性与增强相的高强度特性，呈现出一系列优异性能：包括高比强度（＞200 MPa・cm³・g⁻¹）、高比模量、耐高温（300-1200℃）、耐磨损、导电导热性能优异、低热膨胀系数、尺寸稳定性好、抗疲劳（疲劳寿命数倍于金属）及断裂韧性提升等综合优势，同时具备抗吸湿、无辐射污染等环境友好特性。

根据材料设计原理与工程应用需求，复合材料可以通过优化基体和增强相的组合，设计出需要的材料性能，满足不同应用领域的需求。金属基复合材料的分类体系可从多个维度进行科学划分：按增强体可分为纤维增强（含连续纤维与短纤维/晶须）和颗粒增强，分别赋予材料高强度、耐磨或多功能特性；按基体金属则包括铝基（轻量化）、镁基（超轻高比强）、钛基（耐高温抗腐蚀）等体系；此外还可根据用途（结构/功能）或工艺（固态/液态/原位生成）进一步细分。

这种多维度分类体系充分体现了材料科学与工程领域 "成分-工艺-结构-性能" 的内在联系，为航空航天（减重 20-30%）、汽车制造（发动机部件寿命延长 50%）、电子封装（热膨胀系数匹配性提升）及高端装备等领域的技术创新提供了重要物质基础。金属基复合材料以其优异的综合性能，在航空航天、汽车、电子、工业等领域有着广泛的应用前景。

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金属复合材料的类型

金属材料通常可制成多种多样的产品形式为后续的加工生产做准备，这些形式有铸造重熔料和锻造材料，包括丝、箔材、板材、棒材、各种挤压型材以及粉末。许多这些不同形式的金属都可用于生产MMCs。像液态金属浸渗这样的熔融加工方法要求有可重熔组分。

许多金属基复合材料的应用需考虑多个方面而不只是强度（如电触头），因此，对基体材料的类型就有相应的要求。纯金属通常软且弱，具有较高的热导率和电导率。这是因为导致易塑性变形、低强度及高延展性的因素同时也使 自由电子易于运动，从而也导致较高的热导率和电导率。

因此，需同时满足高热导率或电导率、高强度以及高耐磨特性的材料，例如触电材料，可选用陶瓷增强纯金属基体的复合材料。基体合金也可以按熔点分类。具有超高熔点的材料，如钼、铌和钨称为耐火材料，意思是难以熔化。如铁、镍和铜等金属被认为表现出一般的熔化行为，而铝和镁是熔点较低的材料。目前，已用作金属基复合材料基体的合金体系包括铝、铜、铁（钢）、镁、镍以及钛。

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金属复合材料基本材料形式与类型

金属层状复合材料是通过特定的复合工艺，将两种或多种在物理、化学、力学性能方面存在差异的基体金属在界面处实现牢固的冶金结合而制备出的一种新型复合材料。这种材料充分融合了基体金属的电性能、热性能、耐腐蚀性能、磁性能、耐磨性、焊接性、成形性、密度、低成本、外观等特性，相较于单一基体金属材料，展现出更为优异的综合性能。因而在航空航天、汽车、通讯、半导体、电子、散热、建筑装饰、生活用具等多个领域得到了广泛的应用。金属层状复合材料可以被加工成多种形状，如板材、带材、箔材、管材、棒材、线材以及其他不规则形状。由于其种类丰富、应用范围广泛、制备方法多样，吸引了国内外众多研究人员的高度关注。

金属材料通常可制成多种多样的产品形式为后续的加工生产做准备，这些形式有铸造重熔料和锻造材料，包括丝、箔材、板材、棒材、各种挤压型材以及粉末。许多这些不同形式的金属都可用于生产MMCs。像液态金属浸渗这样的熔融加工方法要求有可重熔组分。

许多金属基复合材料的应用需考虑多个方面而不只是强度（如电触头），因此，对基体材料的类型就有相应的要求。纯金属通常软且弱，具有较高的热导率和电导率。这是因为导致易塑性变形、低强度及高延展性的因素同时也使 自由电子易于运动，从而也导致较高的热导率和电导率。因此，需同时满足高热导率或电导率、高强度以及高耐磨特性的材料，例如触电材料，可选用陶瓷增强纯金属基体的复合材料。基体合金也可以按熔点分类。具有超高熔点的材料，如钼、铌和钨称为耐火材料，意思是难以熔化。如铁、镍和铜等金属被认为表现出一般的熔化行为，而铝和镁是熔点较低的材料。目前，已用作金属基复合材料基体的合金体系包括铝、铜、铁（钢）、镁、镍以及钛。

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金属复合材料制备工艺及方法

1、原位自生法

原位自生法（in-situ synthesis）是指通过金属盐与液态金属的高温化学反应原位生成特定陶瓷增强体的制备方法，基体金属常见的有铝合金、镁合金、钛合金以及钢铁合金等。原位自生法的优点在于陶瓷相与基体合金界面结合好，增强相尺寸可以控制到纳米级别，在提高基体合金强度的同时塑性损失不大。制备的金属基复合材料可以后期轧制成型，或重熔铸造成型，增强体的体积分数较低，通常在10%以下时可获得较好的性价比，民用市场潜力很大。

2、搅拌铸造法

搅拌铸造法（stirring casting）是将颗粒状的陶瓷增强体加入到熔融态或者半熔融态的金属中，然后借助机械搅拌或超声搅拌使增强体颗粒均匀分散并随后凝固成型的方法。为保证金属熔体的流动性，增强体体积分数一般不超过20%。搅拌铸造工艺装备简单，成本低，可制备大体量复合材料胚体，并且可以重熔铸造成型。

3、粉末冶金法

粉末冶金法（powder metallurgy）是将粉末状的增强体与粉末状的金属基体按照一定比例混合，先在模具中冷压成型，然后真空除气，再热压烧结成型的方法，这是目前国内外普及程度最高的技术。为了保证复合材料组织中基体的连续性，目前批量化应用的复合材料体积分数通常在20%左右。制备材料经过后期的真空热等静压、轧制以及热挤压成型，可以获得较高的力学性能。

4、压力浸渗法

作为液态法制备技术，压力浸渗法（pressure infiltration）又称挤压铸造法，将液态金属通过外界压力强行突破表面张力浸渗到增强体预制件中，随后凝固成型获得金属基复合材料。压力浸渗法的优势在于适用于纤维、晶须、粉末、纳米颗粒等各类增强体，适用于各类基体合金，可获得较好的界面强度，材料可设计性强。通常颗粒增强复合材料的体积分数在40%~70%。根据工艺环境不同，压力浸渗分为真空压力浸渗和大气环境下压力浸渗两大类。真空压力浸渗法为保证在较低压力下克服浸渗阻力，通常颗粒尺寸较大（比表面积较小）；为保证毛细管作用的必要间隙，体积分数较高（60%左右）。这种方法易于获得高刚度、高导热、低膨胀等特殊性能的金属基复合材料，可以实现复杂构件的免加工一次成型，广泛应用于大功率电子器件热沉。

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金属复合材料下游应用领域市场规模

航空航天

金属基复合材料（MMCs）在高比强度、高比刚度及耐高温性能的独特性能使其在航空航天领域展得到广泛应用，尤其卓越的耐热性和抗疲劳性能被用于发动机涡轮叶片、压气机叶片的制造。金属基复合材料生产的机身框架、翼梁、动环等结构件在保持结构完整性和强度的同时，显著减轻了整体重量。用于热管理系统，如热交换器、散热片等功能部件中将提设备的高热效率和可靠性。

金属基复合材料的应用也日益广泛，采用SiC颗粒增强铝基复合材料，成功制造了导弹、卫星、兵器上的多种关键受力结构件或功能件，应用取得重大进展，部分制品如图所示，这些制品具有高比强度、高比刚度、高耐磨的性能特点。同时，还制备了精密光学仪器用主镜筒、反射镜、装星底板等部件，具备尺寸稳定、热变形小、热膨胀系数低的优势。北京航空材料研究所等研究单位也成功制造出多种宇航用铝基复合材料零件样品。

随着航空航天技术的不断进步，对材料性能的要求变得越来越严格和复杂，温度耐受性、比强度比刚度更高，对抗疲劳和抗冲击的综合性能要求更高。轻量化也是关键趋势，以减少飞行器重量，降低燃料消耗，提高飞行效率。

新能源汽车

针对汽车工业轻量化的发展趋势，铝基复合材料在某些领域逐渐替代了铝合金、钢、陶瓷等传统汽车材料，广泛应用于汽车关键零部件，尤其是高速运动部件。这种材料在减轻重量、减少运动惯性、降低油耗、改善排放以及提升汽车综合性能等方面发挥着积极作用，正受到越来越多方面的关注。

电子/热控领域

如果以产值排序，高产品附加值的电子/热控领域是第一大MMCs市场，产值比例超过60%。以SiCp/Al复合材料为代表的第二代热管理材料主要用作微处理器盖板/热沉、倒装焊盖板、微波及光电器件外壳/基座、高功率衬底、IGBT基板、柱状散热鳍片等。其中，无线通讯与雷达系统中的视频与微波器件封装构成其最大的应用领域，其第二大应用领域则是高端微处理器的各种热管理组件。

陆上运输领域

对于成本极端计较的汽车市场，唯一能接受的只有铝基MMCs。MMCs主要用于耐热耐磨的发动机和刹车部分（如活塞、缸套、刹车盘和刹车鼓），或用于需要高强度模量运动部件（如驱动轴、连杆）。在陆上运输领域消耗的MMCs中驱动轴的用量超过50%，汽车和列车刹车件的用量超过30%。

其他领域

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金属复合的界面

机械结合：由粗糙的增强物表面及基体的收缩产生的摩擦力完成；

溶解和润湿结合：基体与增强物之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶解；

反应结合：基体与增强物之间发生化学反应，在界面上形成化合物面产生的一种结合形式；

交换反应结合：基体与增强物之间通过扩散发生元素交换的一种结合形式；

混合结合：多种结合方式组合。

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金属复合的发展趋势

多元/多尺度MMCs ：通过引入不同种类、不同形态、不同尺度的增强相，利用多远增强体本身物性参数不同，通过相与相、以及相界面与界面之间的耦合作用，呈现出比单一增强相复合条件下更好的优越性能。

微结构韧化MMCs：通过将非连续增强MMCs分化区隔为增强体颗粒富集区（脆性）和一定数量、一定尺寸、不含增强体基体区（韧性），这些纯基体区域作为韧化相将会具有阻止裂纹扩展，吸收能力的作用，从而使MMCs的损伤容限得到提高。

层状MMCs : 受自然生物叠层结构达到强、韧最佳配合的启发，韧脆交替的微叠层MMCs研究受到关注。通过微叠层来补偿单层材料内在性能的不足，以满足各种各样的特殊应用需求，如耐高温材料、硬度材料、热障涂层材料等。

泡沫MMCs : 多孔金属泡沫具有多孔、减振、阻尼、吸音、散热、吸收热冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能，可通过对其引入粘弹性体、吸波涂料等功能组分达到多功能化的需求。

双连续/互穿网络MMCs :  双连续微结构设计可使增强体在基体合金中称为连续的三维骨架结构，可更有效地发挥陶瓷增强体的刚度、低膨胀等特性。

小结

国外在金属层状复合材料的研究方面起步较早，生产的复合材料种类繁多，相关的复合材料组织性能研究成果也较为丰富。例如，Materion公司在铜铝镶嵌包覆、不锈钢/铝/不锈钢、不锈钢/铜/不锈钢等复合材料的研究方面取得了显著成效。

我国自20世纪60年代开始开展金属层状复合材料的研究工作，经过半个多世纪的研究与推广应用，取得了丰硕的研究成果，并培养了一批在国际上具有重要影响力的企业和科研团队。在复合工艺技术创新、复合机理研究、材料性能表征、界面扩散等方面取得了众多成果，在世界金属层状复合材料领域占据了重要地位。

粉末冶金新机遇

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