戰略研究丨金屬基複合材料的發展機遇和挑戰

本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2020年第2期

作者：武高輝，匡澤洋

來源：裝備升級換代背景下金屬基複合材料的發展機遇和挑戰[J].中國工程科學,2020,22(2):79-90.

編者按

金屬基複合材料指採用人工方法，將不同尺寸、不同形態（包括纖維、晶須、顆粒、納米顆粒等）的無機非金屬（或金屬）增強體添加到金屬基體中製成的新型材料。通過合理的設計，金屬基複合材料可以發揮出增強體和基體各自的性能優勢，獲得「合金」材料所不具備的特殊性能，如比強度、比剛度、低膨脹、高導熱、耐高溫等。

中國工程院院刊《中國工程科學》刊發《裝備升級換代背景下金屬基複合材料的發展機遇和挑戰》一文，從產業化發展戰略的角度出發，對我國金屬基複合材料的形成和發展進行了評述。文章簡要總結了我國金屬基複合材料的發展歷程，梳理了當前快速發展階段中金屬基複合材料的主要製備方法，如原位自生法、攪拌鑄造法、粉末冶金法、壓力浸滲法中取得的關鍵性技術突破。在此基礎上，列舉了對裝備升級換代產生顯著推動作用、具有代表性的金屬基複合材料工程應用案例，預測了未來5~10年金屬基複合材料的發展趨勢。針對當前國防與國民經濟領域裝備技術發展對材料技術提出的挑戰，分析了金屬基複合材料在軍民兩用市場的發展機遇與前景，同時就產業化技術和產業環境的不足，提出了發展建議。

一、前言

金屬基複合材料是指採用人工方法，將不同尺寸、不同形態（包括纖維、晶須、顆粒、納米顆粒等）的無機非金屬（或金屬）增強體添加到金屬基體中製成的新型材料。通過合理的設計，金屬基複合材料可以發揮出增強體和基體各自的性能優勢，獲得「合金」材料所不具備的特殊性能，如比強度、比剛度、低膨脹、高導熱、耐高溫等，但在塑性等指標方面有所損失。美國國家航空航天局（NASA）於1963年首次研發了金屬基複合材料。界面反應控制、製備工藝是金屬基複合材料的關鍵技術。

新一代裝備技術的提升，對基礎材料的性能要求愈加苛刻。在傳統金屬材料不能滿足要求的狀況下，金屬基複合材料已經成為不可替代的戰略性新材料，其應用廣度、發展速度和生產規模已成為衡量一個國家材料科技水平的重要標誌之一。目前，全球金屬基複合材料市場基本上被西方發達國家所壟斷，超過總質量2/3的金屬基複合材料為美國、歐洲、日本等發達國家或地區所使用。

我國在1981年啟動了金屬基複合材料研究，經歷了艱難的起步階段和初期工程驗證階段，目前步入普及與快速發展階段。若干種金屬基複合材料在尖端國防領域的成功應用，顯著提升了重大裝備的精度和效能，也為裝備換代和技術升級提供了堅實保障。隨著國家軍民技術一體化發展的實施，金屬基複合材料產業面臨著「重要戰略機遇期」，未來5~10年金屬基複合材料有望拓展並廣泛應用於民生領域裝備。在新的產業形勢下，針對軍民兩用市場急劇增長的現實需求，分析金屬基複合材料技術及其產業環境存在的不足、探討協調解決發展速度與發展質量的措施，相關研究顯得尤為迫切。

二、國外金屬基複合材料發展與應用概況

2014年全球市場報告指出，金屬基複合材料在太空飛行器結構、電子封裝熱管理、汽車和軌道交通車輛剎車制動盤等工業方向的應用前景廣闊；預計2012—2019年，金屬基複合材料全球需求將從5496 t/a增加到近8000 t/a，材料產量呈線性增長趨勢，年銷售額從2.3億美元增加到近4億美元。2019年，美國海軍ManTech計劃投資的項目集中在六大技術方向：複合材料加工和製造、電子加工和製造、自動化工具、焊接和修復、設備和工業化生產、缺陷檢測，投資總額為2514萬美元。金屬基複合材料的代表性工業產品應用見表1。

表1 金屬基複合材料在工業產品中的代表性應用

三、我國金屬基複合材料發展與應用情況

我國金屬基複合材料的研製進展主要分為起步、工程驗證、普及應用等3個階段。

（一）艱難起步階段

1980—1999年為金屬基複合材料的起步階段，受限於薄弱的研究基礎，過程較為艱難。20世紀80年代初，國內學術界對於金屬基複合材料還十分陌生，無經驗無設備。1982年，哈爾濱工業大學採用手工鋪設、膠黏劑黏接的方法試製出鎢絲增強銅複合材料板材，研究了複合材料拉伸強度與纖維方向的依賴關係。1984年，哈爾濱工業大學從日本引進了壓力浸滲技術，試製出SiC晶須增強鋁複合材料（SiC_w/Al）樣品。1985年，北京航空材料研究院報導了利用滾軋金屬箔擴散黏接方法，製備硼纖維/鋁複合材料板的研究結果。金屬基複合材料製備工藝複雜，成品率很低、性能離散度很大，材料製備技術是制約其發展的第一障礙。

（二）工程驗證階段

2000—2010年，我國突破了大氣環境下壓力浸滲、真空無壓浸滲等材料製備技術，金屬基複合材料開始在航天、航空裝備上進行小範圍應用，部分代表性應用見表2。

表 2 我國金屬基複合材料工程驗證階段的典型應用

金屬基複合材料的探索性工程應用，解決了傳統鋁合金所不能解決的若干問題，建立了結構設計師的選材信心，獲得了航天、航空、兵器等國防軍工領域的大範圍關注。

（三）普及與快速發展階段

2010年前後，我國金屬基複合材料進入普及應用與快速發展階段，在電子封裝領域、航天裝備領域的應用規模逐步擴大，出現了若干金屬基複合材料高新技術企業，形成了小批量生產配套的能力。

國外已形成規模化生產的技術主要是粉末冶金技術、攪拌鑄造技術和無壓浸滲技術。我國目前研究較深入的技術有10多項（見圖1），每種技術方法都有其適用範圍，所製備的材料也有不同的特性和用途。按照金屬基複合材料增強體的體積分數從低到高順序，概要介紹以下4種主要技術。

圖 1 我國在研的金屬基複合材料製備方法

1. 原位自生法

原位自生法（in-situ synthesis）是指通過金屬鹽與液態金屬的高溫化學反應原位生成特定陶瓷增強體的製備方法，基體金屬常見的有鋁合金、鎂合金、鈦合金以及鋼鐵合金等。原位自生法的優點在於陶瓷相與基體合金界面結合好，增強相尺寸可以控制到納米級別，在提高基體合金強度的同時塑性損失不大。製備的金屬基複合材料可以後期軋製成型，或重熔鑄造成型，增強體的體積分數較低，通常在10%以下時可獲得較好的性價比，民用市場潛力很大。

安徽相邦複合材料有限公司研發了原位自生納米陶瓷顆粒增強鋁基複合材料（簡稱為陶鋁新材料），形成了鑄造材、擠壓型材和增材製造等多個不同性能級別的材料品種，在航空、航天、發動機、汽車、軌道交通等領域已經開始應用。西安工業大學研製的TiB₂/Al原位自生複合材料已應用於軍用汽車發動機的活塞。河北省材料研究中心研製的原位自生NbC和V₂C納米陶瓷顆粒增強鐵基彈簧鋼，彈性極限提高18%，拉伸強度達2300~2400 MPa，2012年起在邢臺鋼鐵有限責任公司投入應用。

2. 攪拌鑄造法

攪拌鑄造法（stirring casting）是將顆粒狀的陶瓷增強體加入到熔融態或者半熔融態的金屬中，然後藉助機械攪拌或超聲攪拌使增強體顆粒均勻分散並隨後凝固成型的方法。為保證金屬熔體的流動性，增強體體積分數一般不超過20%。攪拌鑄造工藝裝備簡單，成本低，可製備大體量複合材料胚體，並且可以重熔鑄造成型。

上海交通大學、北京有色金屬研究總院、哈爾濱工業大學在顆粒增強鋁基、鎂基複合材料方面的工作具有代表性，已形成系列產品並走向產業化進程。

3. 粉末冶金法

粉末冶金法（powder metallurgy）是將粉末狀的增強體與粉末狀的金屬基體按照一定比例混合，先在模具中冷壓成型，然後真空除氣，再熱壓燒結成型的方法，這是目前國內外普及程度最高的技術。為了保證複合材料組織中基體的連續性，目前批量化應用的複合材料體積分數通常在20%左右。製備材料經過後期的真空熱等靜壓、軋制以及熱擠壓成型，可以獲得較高的力學性能。

中國科學院金屬研究所採用粉末冶金技術生產的17%SiC/Al複合材料列入航天材料採購目錄，已經批量用於空間飛行器結構；在大尺寸B₄C/Al複合材料方面突破了軋製成型、攪拌焊接等關鍵工藝，實現了核反應堆選材的批量應用。中南大學採用噴射沉積法製備的Si/Al複合材料已經批量用於功率電子器件封裝殼體。北京有色金屬研究總院採用粉末冶金方法研製的SiC/Al複合材料、B₄C/Al複合材料以及噴射沉積法製備的Si/Al複合材料，已經在直升機、戰鬥機、相控陣雷達、核反應堆等裝備上批產應用。北京航空材料研究院研製的SiC/Al複合材料在直升機夾板上得到應用，華南理工大學採用粉末冶金法製備的鋁基和鐵基複合材料等均走向了產業化。

4. 壓力浸滲法

作為液態法製備技術，壓力浸滲法（pressure infiltration）又稱擠壓鑄造法，將液態金屬通過外界壓力強行突破表面張力浸滲到增強體預製件中，隨後凝固成型獲得金屬基複合材料。壓力浸滲法的優勢在於適用於纖維、晶須、粉末、納米顆粒等各類增強體，適用於各類基體合金，可獲得較好的界面強度，材料可設計性強。通常顆粒增強複合材料的體積分數在40%~70%。

根據工藝環境不同，壓力浸滲分為真空壓力浸滲和大氣環境下壓力浸滲兩大類。真空壓力浸滲法為保證在較低壓力下克服浸滲阻力，通常顆粒尺寸較大（比表面積較小）；為保證毛細管作用的必要間隙，體積分數較高（60%左右）。這種方法易於獲得高剛度、高導熱、低膨脹等特殊性能的金屬基複合材料，可以實現複雜構件的免加工一次成型，廣泛應用於大功率電子器件熱沉。北方工業大學、國防科技大學、北京有色金屬研究總院、中南大學、湖南浩威特科技發展有限公司採用該類方法實現了產業化。

哈爾濱工業大學發明了自排氣壓力浸滲技術，為解決大氣環境下製備複合材料時氣體夾雜缺陷等問題，在鋼模具的適當部位開出排氣孔，控制液態金屬浸滲方向，利用液態金屬的浸滲壓力排擠出預製體中的氣體，最後在10~50 MPa 的靜水壓力下凝固成型。與國外的真空浸滲相比，該方法設備簡單、工藝流程短，工藝參數控制靈活，適合製造體量更大、粉末更細小的複合材料。自排氣壓力浸滲技術已成為我國獨有的一項先進技術。在大氣環境下得到了緻密度接近100%的光學級SiC/Al複合材料、超大尺寸（直徑大於900 mm）儀表級SiC/Al複合材料（見圖2），已經形成SiC/Al複合材料、碳纖維增強複合材料、功能複合材料、熱管理材料等系列產品。

圖 2 Φ900 mm儀表級 SiC/Al複合材料坯體

四、金屬基複合材料推動裝備發展的典型案例

與合金化的技術方法不同，金屬基複合材料的組織結構特點決定了它對基體合金性能的提升不是百分之幾，而是幾倍甚至十幾倍，從而顯著提升裝備的總體性能指標。本文通過調研，梳理了近年來我國在金屬基複合材料研發和工程應用方面的9個典型案列，直觀展示相關領域的技術進展。

（一）儀表級SiC/Al複合材料保障了慣性器件和空間光學裝備精度的躍升

高精度慣性儀表零件要求在長期時效、溫度擾動、振動衝擊等環境下保持尺寸形狀不發生納米量級的變化，而鋁合金、鈦合金均難以滿足要求。基於慣性器件服役環境下的材料響應特性分析結果，提出了金屬基複合材料穩定化設計原理，包括組織穩定、相穩定、應力穩定、結構熱穩定等。

基於上述技術原理研製的儀表級SiC/Al複合材料，在溫度擾動、振動衝擊、長期靜載荷下的關鍵性能指標優於進口鈹材；用於液浮陀螺樣機，隨機漂移精度達到目前國內最高精度指標；製造的空間運動光學系統應用於衛星雷射通信指向機構（見圖3），整機減重36.8%、剛度提升53.3%、基頻提高62.0%，實現了設計精度要求且保障了精度的天地一致性。國外在相關精密零件上使用鈹材或者鈹鋁合金，我國則探索出一條精密零件材料的低成本、高性能的技術途徑。

圖3 SiC/Al複合材料製造的空間運動光學系統

（二）金剛石/Cu（Al）複合材料成為第三代半導體技術發展的基石

第三代半導體材料GaN的功率密度、熱流密度較第二代GaAs材料高出2~3倍，而目前先進的第三代熱管理材料Si_p/Al、SiC_p/Al的熱導率僅能達到220 W·m^–1·K^–1，遠不能滿足 GaN的散熱要求，因此熱管理材料已成為GaN晶片的發展瓶頸。2017年，國家重點研發計劃設立了「戰略性先進電子材料」重點專項，支持開展新型高效導熱材料的製備與性能調控技術研究。哈爾濱工業大學採用壓力浸滲方法，成功解決了界面反應難題，穩定製備出熱導率不低於650 W·m^–1·K^–1的金剛石/Al複合材料，用於GaN晶片熱沉後使結溫降低18.6℃、可靠性增長50%。目前金剛石/Al複合材料已批產用於衛星海量處理器等大功率器件（見圖4）。我國金剛石/Cu複合材料的研究進展較快，已經形成產業能力的單位包括北京科技大學、北京有色金屬研究總院、哈爾濱工業大學、湖南浩威特科技發展有限公司等。

圖4 金剛石/Al複合材料電子器件產品

（三）主動防熱結構功能一體化複合材料突破了傳統防熱材料的性能極限

固體火箭發動機是航天運載器的關鍵設備，喉襯作為關鍵部位，要在約2700 K高溫、超過10 MPa壓力的條件下工作，材料燒蝕將直接影響發動機性能指標。國際上普遍採用的C/C等防熱材料，成本較高且燒蝕問題不可避免。哈爾濱工業大學因勢利導提出主動防熱的材料設計方案，採用低熔點、低沸點的還原性金屬作為耗散劑，滲入多孔石墨中製成碳基複合材料，成為應對固體火箭發動機高性能/低成本的材料需求、原創提出的全新技術方案。

材料方案原理為：高溫燒蝕過程中耗散劑首先汽化形成蒸汽膜並降溫；氣態的耗散劑與邊界層氧元素反應，耗散掉氧，從而消除碳基體氧化燒蝕條件；同時氧化後原位生成陶瓷膜，抵抗衝刷。所製備的固體火箭發動機噴管喉襯（見圖5）燒蝕率低於C/C喉襯兩個數量級，而成本降低50%、製備周期縮短90%。

圖5 主動防熱結構功能一體化複合材料樣件

（四）自潤滑複合材料改變了傳動機構設計觀念

全世界每年因摩擦消耗的能源大約佔總量的1/3~1/2，由於各種形式的磨損引起的零件損壞比例高達80%。高精度滑動摩擦副要求高潔淨、無濺落的自潤滑材料，而傳統自潤滑材料（如軟金屬、石墨、MoS₂、聚四氟乙烯等）因摩擦副存在磨損物濺落而降低了可靠性。

哈爾濱工業大學率先發明了TiB₂/Al自潤滑複合材料。在材料製備過程中，先將微納米尺寸的TiB₂顆粒預氧化，使表面生成B₂O₃；再採用自排氣壓力浸滲技術製備，獲得界面均勻分布B₂O₃的TiB₂/Al複合材料。摩擦磨損過程中B₂O₃與空氣中的水分反應生成H₂BO₃，而H₂BO₃是優於石墨的優異潤滑劑，起到減磨作用。將TiB₂/Al材料應用於縫紉機滑動軸承，可以突破噴油潤滑的複雜連杆機構和相應傳動系統的傳統設計，而直接由伺服電機驅動縫紉機，相關產品通過了應用環境考核。

（五）¹⁰B/Al複合材料突破了傳統中子屏蔽材料的輕量化極限

2020年，我國核電規劃的裝機總容量約為5.8× kW。隨著核電站建設和使用數量的增加，大量乏燃料運輸和核廢料安全處置問題成為當務之急。在傳統的中子屏蔽材料中，含硼聚乙烯在輻照環境下易脆化，且不能在高溫下使用；硼鋼中的^{01 7 10}B易形成脆性網狀硼化物，降低材料韌性。

哈爾濱工業大學研製的超高屏蔽效能¹⁰B/Al複合材料，與傳統硼鋼相比，在相近的屏蔽效能下，重量減輕30倍、厚度減小10倍，突破了傳統中子屏蔽材料的性能極限。¹⁰B/Al複合材料在核反應堆的實驗裝置上獲得成功應用，從而為新一代輕量化、小型化核防護結構設計提供了新型材料方案。

（六）C_f/Al成為航天飛行器高剛度精密結構件的新型材料

新型航天飛行器速度快、控制精度高，要求主體結構必須高剛度以避免振動、耐高溫以承受氣動加熱、高強度以承受大過載。C_f/Al是現有比強度、比剛度最高的複合材料，但是C和Al界面反應十分嚴重，成為製備和批量生產的技術障礙。國外通過表面塗覆處理來抑制界面反應，工藝複雜、成本高且汙染環境。

哈爾濱工業大學深入研究了C和Al反應的熱力學和動力學基礎問題，發明簡捷的工藝方法，無汙染地解決了界面反應難題；通過基體合金成分調整，使界面產物由有害的Al₄C₃轉變為可強化的β相Al₃Mg₂，低成本地解決了C_f/Al複合材料橫向強度問題。C_f/Al複合材料已經用於複雜薄壁艙體結構，顯示出優異的靜態和動態力學特性（見表2），解決了對重量、強度、剛度、空間耐候性等綜合性能有著嚴格要求的航天結構件材料選用問題。

（七）SiC_f/Ti複合材料應用於航空發動機

SiC_f/Ti複合材料是適用於600~800 ℃高溫的輕質結構的理想材料，可以大幅減少結構重量，在航空航天領域應用前景廣闊。與鈦合金相比，SiC_f/Ti複合材料具有良好的高溫性能、抗蠕變和抗疲勞性能，減重增強效果明顯，是新一代航空發動機的良好材料。

近年來，北京航空材料研究院、西北工業大學、中國航空製造技術研究院和中國科學院金屬研究所在SiC_f/Ti複合材料研究方面分別獲得技術突破。中國科學院金屬研究所提出氣體還原清洗技術和基於氣流控制的溫度調控技術，生產的W芯SiC纖維強度大於3800 MPa，在 1000 ℃以下環境基本保持穩定；實現批量化生產，典型結構件通過強度考核；所製備的SiC_f/Ti複合材料結構件，如全尺寸整體葉環（見圖6），室溫實驗最高轉速可達15 000 r/min，達到預期效果。

圖6 SiC_f/Ti 複合材料結構件

（八）B₄C/Al複合材料為裝甲防護材料提供了新方案

面向未來陸戰場對抗，裝甲車輛的高機動性、強防禦性對裝甲防護提出了既要降低密度又要提高抗侵徹能力的苛刻要求。相比合金化的方法，材料複合技術可以兼得高硬度、高強度、高衝擊韌性、低密度等綜合性能，是目前唯一可行的技術方案。

哈爾濱工業大學通過多尺度和梯度結構設計，發揮陶瓷密度低、抗侵徹能力高和金屬高韌性的特性，製備了高抗侵徹能力梯度B₄C/Al複合材料（見圖7）。實驗表明，相比於現役金屬裝甲，在相同抗彈能力下，面密度降低50%以上，可以抗多次打擊，解決了傳統陶瓷裝甲破碎嚴重而不能抵抗多次衝擊的問題，為提升裝甲車輛的作戰機動性和快速反應能力提供了全新的材料技術方案。

圖7 梯度 B₄C/Al複合材料彈擊後靶板及鋼背板

（九）C_f/Mg複合材料成為高比強度構件的潛力之選

鎂基複合材料有望提升鎂合金基體的比模量、比強度以及耐磨、減振、耐高溫等性能，一直是高性能材料領域的研究熱點。國內在顆粒與纖維增強鎂基複合材料的研究方面具有豐富的研究數據積累，在成型技術方面實現了複雜鑄件的澆注成型，製成了顆粒增強鎂基複合材料飛機液壓分油蓋、衛星遙感鏡鏡身和鏡盒等樣品，有關火箭發動機用延伸噴管動作筒的應用研究也取得了一定進展。

鎂合金作為結構材料的弱點是塑性低、耐腐蝕性差，而加入陶瓷顆粒強化之後這些性能將進一步降低，因此其工程應用進展較為緩慢；若採用長纖維增強，則可以適應某些特殊需求，獲得高比強度材料。為了研究二維抗張強度材料，哈爾濱工業大學選擇了C_f/Mg複合材料設計方案，通過優化纖維編制方式實現了服役條件下的等強度設計。為提高界面強度，通過基體合金化的方法，在C-Mg表面形成Mg-Y固溶體界面，界面剪切強度由8 MPa提高到107 MPa，單向拉伸強度達到1.3 GPa，彈性模量為 230 GPa。採用圓盤樣件（見圖8）進行高速離心試驗，邊緣線速度較目前最高強度的鋁合金樣件提升近一倍，從而為新型鎂基複合材料研發、新型高比強度結構設計提供了極具潛力的技術路徑。

圖 8 C_f/Mg複合材料圓盤樣件（高速離心試驗後）

五、未來5~10年金屬基複合材料發展趨勢

（一）納米增強體和專用基體合金的運用

不同於微米級增強體，納米增強體顆粒的表面效應、尺寸效應以及原子擴散行為會對金屬基複合材料強化行為帶來新的表現，催生新的理論與技術。石墨烯作為納米碳材料的典型代表，是目前各類納米增強體中具有最高強度、剛度、導熱、導電和低膨脹等特性的增強體。石墨烯與鋁的界面反應以及石墨烯均勻分散是當前的主要技術障礙。利用大數據技術、仿真模擬技術，以及開發新型製備工藝，重新設計新的專用基體合金成分，預期可以解決上述問題，有望在二維方向上獲得強度、塑性、導熱、導電、阻尼等的優越性能，獲得不同用途的石墨烯增強金屬基複合材料。

（二）金屬基複合材料性能設計理論與技術成熟化

在早期，金屬基複合材料技術僅僅是在現有合金的基礎上加入陶瓷增強體來改進基體合金的物理和力學特性。未來的金屬基複合材料技術將根據零件使役性能分析的結果，從材料納觀、微觀、介觀以及宏觀尺度進行設計，獲得預期性能。我國在金屬基複合材料設計理論與技術方面已經取得諸多經驗，列舉若干成功案例如下。

1. 尺寸穩定性設計

經過20餘年的研究，國內相關單位建立了金屬基複合材料尺寸穩定性設計理論與方法，儀表級、光學級SiC/Al複合材料的實際應用已經顯現出材料精細化設計的成效。例如，專門面向精密儀表服役條件設計的儀表級SiC/Al複合材料，克服了鋁合金、鈦合金、鈹材等的性能缺陷，能夠綜合地滿足各項指標要求，成為「指哪打哪」材料設計理念的範例。

2. 仿生設計

物競天擇，經歷了億萬年進化而生存下來的生物具有最合理的微觀組織和宏觀結構。從微觀結構與形態層面上進行仿生設計，這是金屬基複合材料性能與功能設計的創新思路之一，目前發展較快的有層狀結構、網狀結構、微孔結構、梯度結構等。

中國科學院金屬研究所從自然界中的竹子結構中獲得靈感，成功將多種金屬材料進行梯度複合，製備了梯度結構金屬基複合材料，在一定程度上打破了「強度和塑性」的倒置關係，獲得優異的強塑性（見圖9）。

圖 9 梯度材料與粗晶、納米晶材料的強韌性匹配

上海交通大學的遺態材料研究，通過直接以生物結構為模板，選擇合適的物理化學方法，在保持模板精細分級結構的同時，將自然生物組分轉化為目標材質，製備具有生物精細分級結構的新型功能材料。以貝殼仿生疊層思路為借鑑，採用片狀粉末冶金方法製備石墨烯增強銅基複合材料（見圖10），為複合材料的強韌化設計提供了可行的技術方案。

圖10 製備人造珍珠層示意圖

啄木鳥的顱骨是一種微孔結構材料，具備高強度、耐衝擊、減振等特性。微孔結構的金屬基複合材料在減震、吸聲、吸能方面有著特殊的功效，比如多孔泡沫金屬材料，廣泛應用於交通運輸、工程結構、機械設備、航空航天、兵器工業等工業領域裝備的抗衝擊載荷構件。

3. 晶界強韌化設計

哈爾濱工業大學為解決粉末冶金鈦合金晶界強度問題，提出了一種晶界強韌化設計的方法，將TiB₂與TC4鈦合金粉末混合，控制燒結工藝，巧妙地利用於TiB₂的界面反應，在晶界處原位生成網狀TiB晶須，使其均勻交織於晶粒之間。這種三維立體網狀微觀結構的鈦合金，在室溫下的拉伸強度提升超過30%，耐熱上限提升200 ℃。

（三）新型複合材料製備技術

製備技術是金屬基複合材料實用化的基礎，也是成本鏈的關鍵環節，發展方向是低成本、高效能、低消耗。增材製造基於計算機輔助設計（CAD）數據，主要以層的形式構建三維對象，逐步從創建基本模型或快速原型發展到近淨成形工藝，在複雜形狀物體生產方面可部分取代傳統的機械加工方法。相關技術發展較快的有：電子束熔化沉積（EBM）、雷射選區熔化成型（SLM）、光固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、選擇性雷射燒結（SLS）。

金屬基複合材料屬於難加工材料，在空間光學結構的零件製造方面，傳統機械加工方法的加工去除量超過90%。增材製造為高效率地生產中小批量、幾何形狀複雜的金屬基複合材料零件提供了可行的技術途徑，但界面反應、材料缺陷控制等問題將是技術挑戰。

（四）超常性能金屬基複合材料

「超常性能」材料指的是關鍵性能指標超越傳統材料極限的材料。根據國內外研究現狀預判，具備超常性能的金屬基複合材料會大量湧現。

①高強韌性納米複合材料在增強體，比如MAX相（三元碳化物、氮化物、具有納米層狀晶體結構，如Ti₃SiC₂、Ti₂AlC、SiBC等）達到納米量級之後，可以帶來諸多未知特性，提高強度的同時提高塑性，這給金屬基複合材料走出強度和塑性倒置的「魔咒」提供了設計思路。

②高阻尼複合材料在金屬基體中引入具有高阻尼性能的增強體以及界面，如空心球、形狀記憶合金（TiNi、Cu-Al-Ni）、鐵磁性合金、壓電陶瓷等，使得增強體與界面發揮更高的阻尼功能。

③超低膨脹複合材料在金屬基體中添加具有低膨脹甚至負膨脹係數的增強體（如ZrW₂O₈、Hf-W₂O₈、PbTiO₃、Mn-Cu-Sn-N等）來使基體獲得超低熱膨脹係數，從而在變溫場合能夠保持較小的尺寸變化，在空間精密機構、高精度測量儀表、光學器件等工程領域有重要應用價值。

「超常性能」的實現僅僅通過陶瓷增強體的選擇和含量的控制還不夠。未來基於基因工程理念，建立起金屬的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物以及碳材料等增強體的物理性能、化學性能、晶體結構、表面能等資料庫，同時對基體成分、界面結構、增強體分布構型等進行仿真計算，由此精細設計和製備出超常性能的金屬基複合材料，將是更高技術層面的發展方向。

六、金屬基複合材料產業機遇與挑戰研判

（一）發展機遇

一代裝備，一代材料。我國裝備技術先後經歷了引進、仿製發展、升級換代、自主創新等階段。新一代裝備在研製過程中，所困擾的「卡脖子」問題往往是以材料為代表的基礎性問題。近年來，國內材料研究進展表明，由於金屬粉末、纖維和納米粉體技術的發展以及材料基因組研究方式的採用，材料性能提升已經超過了25%的預期上限。金屬基複合材料相比聚合物基複合材料，用量不多，產業化規模不大，但又是決定裝備精度、效能、壽命、可靠性等指標能否實現的關鍵因素，具有不可替代、不可或缺的作用，進而成為國家材料技術水平的重要標誌。

金屬基複合材料在民用領域同樣也迎來了發展機遇期。世界性的能源問題引發了軌道交通、電動汽車等領域的輕量化技術需求，金屬基複合材料在某些部件上已經成為唯一的替代材料。例如，高速鐵路列車的大功率電子器件、第五代移動通信（5G）基站關鍵模塊的散熱問題已經無法依靠常規材料來解決，只有金屬基複合材料才能勝任。隨著智能製造的興起，越來越多的高速往復運動部件要求具有低密度、高耐磨、高剛度、低成本等特性，而僅有金屬基複合材料可以滿足其需求。

未來5~10年，隨著裝備更新換代步伐的加快，我國金屬基複合材料的市場需求將出現「井噴式」態勢。預計國內市場主要分布在：高精度機電產品、空間光學儀器、慣導儀器、軌道交通與地面交通裝備、電子器件、通信設施、新光源、微波裝置等。具體來說，第三代半導體器件、5G通信、電動汽車、高鐵剎車盤、商業航天等產品領域將會有千億元級別的龐大市場需求。

綜合來看，金屬基複合材料是一種具有戰略性的新材料。我國經過近40年的研究，材料設計技術逐漸趨於成熟，若干製造技術已經達到國際先進甚至領先的水平；軍民兩用裝備升級換代的需求正在加速，在技術層面上對金屬基複合材料的剛性需求有所加強。在此大背景下，以往大多面向國防應用的金屬基複合材料有望快速轉化並進入民用裝備市場，金屬基複合材料產業新的發展戰略機遇期正在到來。

（二）面臨的挑戰

我國金屬基複合材料的部分技術，如大氣環境下自排氣壓力浸滲技術具有領先水平，粉末冶金技術、攪拌鑄造技術整體上與國外水平比肩，材料產品性能指標與國外報導的基本相當。但綜合來看，金屬基複合材料技術仍然落後於美國、日本、加拿大、英國等傳統材料強國，產業化環境的差距更為明顯，主要表現在以下方面。

（1）包括增強體製備、金屬基體專用合金設計、材料製造裝備、精密加工、精密成形、連接技術等在內的金屬基複合材料產業鏈不夠完備。其中，國內專用基體合金尚屬空白，國產增強體粉末、基體合金粉末的質量一致性欠缺，國產製造設備故障率偏高，焊接技術研究不充分，精密加工研究不足。

（2）金屬基複合材料製造是一項特殊的技術，目前國內尚沒有自動化專用裝備，直接導致材料性能批次穩定性差、生產成本高。

（3）研究與生產分散、無序、脫節，缺乏實質性的「產學研用」聯合與合作。

（4）工程設計人員對金屬基複合材料不敢用、不會用的問題依然存在，金屬基複合材料不好用、亂用的問題也較為明顯。

（5）金屬基複合材料基礎資料庫尚不完備，國家標準體系不完善，細分材料的類別不明晰，導致用戶盲目選材，甚至因誤選材料而造成重大損失。

七、對策建議

（一）夯實國家級產業化平臺、工程實驗室以及人才培養基地

金屬基複合材料的科學問題與工程問題是跨學科的，其應用領域的覆蓋面較寬，這一特點決定了「平臺」不應由單一材料學的研究人員構成。建議國內高校與技術力量雄厚的用戶（企業）合作建立跨學科的研發平臺，並在產品設計/特種加工/力學/材料學、慣性技術/力學/精密加工/材料學等複合方向優先布局。

（二）加大國家投入，儘快增強我國金屬基複合材料產業體系實力

材料強國的發展路線表明，新材料的發展初期較多體現為政府行為，應由國家給予引導、支持和協調，且支持方向要基於應用產品對象而非材料本身。針對代表性強、價值重大、複合材料技術相對成熟的產品，支持企業牽頭、用戶主導的聯合研發團隊模式。開展國家級金屬基複合材料產業化技術攻關，利用5~10年時間，集中力量攻克金屬基複合材料批量生產和應用這一瓶頸問題。

（三）加快金屬基複合材料相關的標準和資料庫體系建設

優先支持國家實驗室、國家地方聯合工程實驗室牽頭，研究和建立國家標準和行業標準體系，構建金屬基複合材料各類細分材料的基礎性、通用性資料庫。

（四）材料製備技術是金屬基複合材料產業的核心競爭力

鑑於突破金屬基複合材料製備技術的過程費時費力，且高風險、慢節奏，國家應制定積極正確的政策導向，鼓勵專家學者和工程技術人員潛心研究工藝基礎問題、裝備技術基礎問題、具有交叉性的基礎問題。

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