航空航天：金属基复合材料如何突破材料瓶颈？

随着航空航天技术的不断发展，对材料性能的要求也日益严苛。单一金属材料在性能上已达到瓶颈，难以满足多样化服役环境和严苛服役条件的需求。而金属基复合材料，通过将两种或多种具有不同物理、化学性质的材料进行精细的空间组合，能够在微观、细观和宏观等多个结构层次上弥补单一材料的不足，产生新的性能，从而有效满足现代航空航天工业对材料性能不断提升的需求。

      金属基复合材料（MMCs），简称金属基复合，是一种以金属或合金为主体，结合纤维、晶须、颗粒等强化元素的复合型材料。其种类繁多，包括高性能纤维、晶须、颗粒增强的金属基复合材料，金属基体中反应自生的增强复合材料，以及层板金属基复合材料等。这些材料不仅继承了金属的固有特性，更融合了复合材料的多元化优势。通过精心搭配不同的基体与强化物，可以打造出各式高性能的复合材料，它们往往具备独特的特性和卓越的综合性能。

      金属基复合材料，以其卓越的物理性能和力学性能，如高比强度、高比模量、出色的耐高温和耐磨损特性，以及低热膨胀系数和优异的尺寸稳定性，赢得了广泛的关注。这些特性使得金属基复合材料在宇航领域中成功克服了树脂基复合材料的局限，展现出令人瞩目的发展潜力，成为各国高新技术研究的重要焦点。不仅如此，金属基复合材料还具备多种特殊性能和良好的综合性能，使其在众多领域中都能找到应用。此外，根据不同的分类标准，金属基复合材料可以被细分为多个种类。接下来，我们将从基体类型、增强体特性以及应用领域三个维度，对金属基复合材料进行深入探讨。

      金属基复合材料的性能特点主要受到其金属或合金基体以及增强体特性的影响。通过合理的组合与优化，这些材料不仅继承了基体金属或合金的出色导热、导电能力，对苛刻环境的抵抗力，以及抗冲击、抗疲劳和断裂的特性，更进一步具备了高强度、高刚度，卓越的耐磨性，以及较低的热膨胀系数。

      碳化硅／铝（SIC/AI）复合材料，以铝或铝合金为主体，融入碳化硅颗粒或晶须作为增强元素，展现出卓越的物理和力学特性，如高比强度、高比模量、低膨胀系数，以及出色的耐磨、耐高温性能。其制备流程简便，成本经济，非常适合大规模生产。此外，该材料可通过常规金属加工工艺，如铸造、挤压、轧制、锻造和焊接等，制造出各式各样的零件和型材。因此，它成为了金属基复合材料领域中的佼佼者，也是目前应用最广、发展最快、性价比最高的一种。

      SiC增强铝基复合材料凭借其出色的力学承载、热控、抗共振以及低密度等特性，在航天和空间领域发挥着至关重要的作用。特别地，这种材料在星载设备、精密仪器零部件、航天微电子系统以及光电探测系统中的应用，充分展现了其轻质与多功能性的优势。随着中国探月工程、深空探测以及空间站技术的持续进步，高性能SiCp/AI复合材料在航天器结构件及相机反射镜方面的需求也日益迫切。例如，北京有色金属研究总院已成功掌握低体积分数SiC/AI复合材料的自主制备工艺，其性能在国内处于领先地位，并已成功应用于航天预研和型号产品中。

      随着航天技术的不断发展，月球车已成为探索月球的重要工具。而SiC增强铝基复合材料，以其卓越的物理和力学性能，在月球车的制造中发挥着至关重要的作用。然而，这种材料仍需进一步的研发和提升，以满足日益增长的性能需求。未来的创新性研究工作将主要集中在如何进一步提高材料的力学性能、热控性能以及耐磨耐高温性能等方面，以适应更加严苛的航天环境。同时，也需要深入研究材料的制备工艺和加工技术，以提高生产效率和降低成本，从而推动SiC增强铝基复合材料在月球车及其他航天领域的应用进一步拓展。

① 降低成本。

      为了解决复合材料坯锭及其零部件加工成本高昂的问题，我们致力于开展复合材料低成本化技术的深入研究。这涵盖了探索低成本的复合制备工艺，例如采用新型材料或优化现有工艺。同时，我们还将开发零件近净成形技术，研究高效精密的机加工工艺和焊接工艺，以提升生产效率并降低制造成本。此外，功能梯度复合材料的发展也是我们研究的重要方向，旨在进一步推动SiC增强铝基复合材料在月球车及其他航天领域的应用拓展。

② 强化材料综合性能。

      通过深入研究微观组织结构与材料性能之间的关联，增强颗粒与基体之间的界面结合力，精细调控颗粒粒度，以及不断优化二次加工技术，我们旨在进一步提升复合材料的诸多关键性能，如强度、耐磨性、耐高温性、塑韧性，以及热学性能等。

③ 拓展复合材料应用领域。

      积极推动研制单位与应用单位之间的交流与合作，以应用需求为牵引，推动材料研制技术的持续进步，从而更好地服务于实际应用，实现铝基复合材料行业的健康、良性发展。

      在航天领域，硅颗粒增强铝基复合材料因其独特的性能优势而备受瞩目。面对空间站中日益增长的电功率和严苛的工作环境，这种材料凭借其出色的热导性能和热膨胀系数，能够有效消散器件产生的热量和辐射热量，同时降低大温差工作条件下的热应力。因此，高导热、低膨胀材料在航天领域的应用需求日益旺盛。

      针对这一需求，研究和开发具有高热导率及良好综合性能的新型封装材料及导热器件显得尤为迫切。金刚石/铜（Diamond/Cu）因其与芯片相匹配的热膨胀系数和优异的高热导率，已成为第三代高性能电子封装材料的佼佼者，广泛应用于航天继电器、微波集成电路、功率模块等多个关键领域。

      此外，Si/Al复合材料也因其优异的综合性能而受到国内业界的广泛关注。虽然目前国内已成功引进并应用了小批量高端微波组件用封装壳体，但面临进口材料价格高昂、供货渠道不稳定等问题。经过十余年的自主研发与突破，中南大学和宁波52所等单位已成功应用喷射成形Si/Al复合材料，开启了轻质铝基复合材料在自主研制高技术雷达上的新篇章。

      未来10至30年，我国空天装备将迎来高速发展期，大飞机、卫星等领域对轻质铝基复合材料的需求将急剧增加，这为TiB2/Al复合材料的发展带来了新的契机。然而，当前我国国产大型客机所使用的新型材料，如第三代铝锂合金、碳纤维复合材料等，主要依赖国外进口。在中美贸易战的影响下，先进进口材料的供应稳定性面临挑战，给我国大型客机的研制战略带来了风险。鉴于先进复合材料在航空装备制造中的关键地位，其自主研制开发对于保障国产军用、民用飞机等重要领域的原材料安全供应至关重要。因此，逐步推广原位自生铝基复合材料在航空领域的应用，对于建立和完善我国航空航天工业尤其是民机产业链，抢占民航客机先进材料领域的制高点具有深远战略意义。

      此外，在航天领域，随着空间站电功率的增大和器件热量的急剧增加，高导热、低膨胀材料的应用需求日益旺盛。金刚石/铜（Diamond/Cu）复合材料凭借其与芯片相匹配的热膨胀系数和优异的高热导率，已成为第三代高性能电子封装材料的佼佼者，广泛应用于航天继电器、微波集成电路、功率模块等多个关键领域。

      Diamond/Cu复合材料经过长期发展，在航空航天、微电子器件等多个领域已得到广泛应用。美国、日本和奥地利等国家率先进行了该复合材料的应用研究。Diamond/Cu复合材料融合了金刚石的超高热导率与铜的优良加工性能，不仅热导率远超其他材料，还能与半导体材料相匹配的热膨胀系数，因而被誉为最具潜力的电子封装材料。此外，其优异的热学性能已使其成功应用于航天器的微电子散射器件。展望未来，随着制备技术的进一步提升，Diamond/Cu复合材料有望进入更多高精尖领域。

未来发展方向包括：

      (1) 深入研究高温高压条件下的金刚石-金刚石骨架结构，通过优化工艺确保金刚石既不被石墨化又能有效团聚，从而构建出更多高效的金刚石-金刚石导热通道，进一步提升复合材料的导热性能。

      (2) 加强对过镀层的研究。过镀层对复合材料热导率的提升至关重要，其连续性、致密性、厚度均匀性以及低热阻特性都是关键因素。

      (3) 在微观纳米尺度上对复合材料进行精细设计与优化，深入探索纳米尺度下各因素（特别是界面结合）对复合材料热导率的影响机制及规律。

      (4) 降低成本同样重要。尽管目前报道的金刚石/铜复合材料在导热性能上已领先于应用需求，但高昂的成本仍限制了其更广泛的应用。因此，未来应致力于探索使用工业级原料和设备来制备高性能导热材料的可能性。

粉末冶金新机遇

2026年3月24日至26日，将于国家会展中心（上海）盛大举办的2026第十八届中国国际粉末冶金及硬质合金展览会（PM CHINA 2026）将集中展出粉末冶金及硬质合金行业全产业链资源，展会规模超55,000㎡，汇聚来自多个国家及地区的1,000+家中外企业，预计吸引超80,000名专业观众。展会不仅全面展示从铁基、有色、难熔金属粉末到烧结设备、成型技术、精密检测仪器的全产业链资源，更通过五展联动——涵盖先进陶瓷、粉体加工、磁性材料、增材制造等领域，打造新材料与先进制造的一站式资源整合平台，精准触达产业生态。

现【观众预登记】正式开启，免费登记通道将于3月23日晚上12:00正式关闭，提前预登记免费领取电子参观证！识别下图了解更多：

提前预登记，免费领取电子参观证

*免费领票通道截止至3月23日晚24时