金属复合基材料：装备技术升级背景下的发展与挑战
导读：新一代装备技术的提升，对基础材料的性能要求愈加苛刻。在传统金属材料不能满足要求的状况下，金属基复合材料已经成为不可替代的战略性新材料，其应用广度、发展速度和生产规模已成为衡量一个国家材料科技水平的重要标志之一。
MMCs
金属基复合材料
金属基复合材料，英文简称MMCs，是以金属/合金为基体，以一种或多种金属或非金属为增强体，采用人工合成法制造而成的复合材料。由于各组成相性能互补，金属基复合材料综合性能优异，具有比强度高、弹性模量高、热膨胀系数低、尺寸稳定性好、耐磨、抗断裂、抗疲劳、耐高温、导热导电、不吸湿等特点，是一种战略性新材料。
▲金属基复合材料在工业产品中的代表性应用
金属基复合材料的基体一般采用铝、铜、镁、锌、钛等有色金属及其合金，以及金属间化合物、高温合金等；增强体一般采用纤维状、颗粒状、晶须状的碳、碳化硅、石墨、硼、陶瓷等无机非金属以及金属。与树脂基复合材料相比，金属基复合材料加工条件要求高，加工工艺与过程控制难度高，产品成本高，但其工作温度范围明显高于树脂基复合材料，可以应用在条件更为苛刻的环境中。
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市场规模&格局
发达国家垄断 亚太预测成主导
美国国家航空航天局（NASA）于1963年首次研发了金属基复合材料。界面反应控制、制备工艺是金属基复合材料的关键技术。目前，全球金属基复合材料市场基本上被西方发达国家所垄断，超过总质量2/3的金属基复合材料为美国、欧洲、日本等发达国家或地区所使用。
2022年，金属基复合材料市场估计为3.97亿美元，预计在2022-2027年的预测期内，复合年增长率将超过6%。北美在2021年占据了最高的市场份额。然而，预计亚太地区将在预测期内主导市场。
▲金属基复合材料市场规模
航空航天和国防工业对轻质材料的需求不断增加，金属基复合材料优于金属的性能是市场的主要驱动因素。然而，汽车生产放缓是市场的重大挫折。在最终用户行业中，汽车和高铁行业之前占据的市场份额最高，但预计电气和电子行业将在预测期内主导市场。高铁行业越来越多的使用和越来越多的电动汽车采用预计将为市场提供新的机会。
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应用场景
对基体合金性能提升超群 应用广泛
与合金化的技术方法不同，金属基复合材料的组织结构特点决定了它对基体合金性能的提升不是百分之几，而是几倍甚至十几倍，从而显著提升装备的总体性能指标。具体应用场景如下：
金属基复合材料应用场景
（1）仪表级 SiC/Al 复合材料保障了惯性器件和空间光学装备精度的跃升
（2）金刚石/Cu（Al）复合材料成为第三代半导体技术发展的基石
（3）主动防热结构功能一体化复合材料突破了传统防热材料的性能极限
（4）自润滑复合材料改变了传动机构设计观念
（5）10B/Al复合材料突破了传统中子屏蔽材料的轻量化极限
（6）Cf /Al成为航天飞行器高刚度精密结构件的新型材料
（7）SiCf /Ti复合材料应用于航空发动机
（8）B4C/Al复合材料为装甲防护材料提供了新方案
（9）Cf /Mg复合材料成为高比强度构件的潜力之选
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国内发展现状
步入快速发展阶段 面临重要战略机遇期
中国在1981年启动了金属基复合材料研究，经历了艰难的起步阶段和初期工程验证阶段，目前步入普及与快速发展阶段。若干种金属基复合材料在尖端国防领域的成功应用，显著提升了重大装备的精度和效能，也为装备换代和技术升级提供了坚实保障。
▲中国工程验证阶段典型应用
随着国家军民技术一体化发展的实施，金属基复合材料产业面临着“重要战略机遇期”，未来5~10年金属基复合材料有望拓展并广泛应用于民生领域装备。在新的产业形势下，针对军民两用市场急剧增长的现实需求，分析金属基复合材料技术及其产业环境存在的不足、探讨协调解决发展速度与发展质量的措施，相关研究显得尤为迫切。
综合技术较弱 产业化环境待优化
我国金属基复合材料的部分技术，如大气环境下自排气压力浸渗技术具有领先水平，粉末冶金技术、搅拌铸造技术整体上与国外水平比肩，材料产品性能指标与国外报道的基本相当。
▲金属基复合材料制备方法
但综合来看，金属基复合材料技术仍然落后于美国、日本、加拿大、英国等传统材料强国，产业化环境的差距更为明显，主要表现在以下方面：
（1）包增强体制备、金属基体专用合金设计、材料制造装备、精密加工、精密成形、连接技术等在内的金属基复合材料产业链不够完备。其中，国内专用基体合金尚属空白，国产增强体粉末、基体合金粉末的质量一致性欠缺，国产制造设备故障率偏高，焊接技术研究不充分，精密加工研究不足；
（2）目前国内尚没有自动化专用装备，直接导致材料性能批次稳定性差、生产成本高；
（3）研究与生产分散、无序、脱节，缺乏实质性的“产学研用”联合与合作；
（4）工程设计人员对金属基复合材料不敢用、不会用的问题依然存在，金属基复合材料不好用、乱用的问题也较为明显；
（5）金属基复合材料基础数据库尚不完备，国家标准体系不完善，细分材料的类别不明晰，导致用户盲目选材，甚至因误选材料而造成重大损失。
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小结
近年来，国内材料研究进展表明，由于金属粉末、纤维和纳米粉体技术的发展以及材料基因组研究方式的采用，材料性能提升已经超过了25%的预期上限。金属基复合材料相比聚合物基复合材料，用量不多，产业化规模不大，但又是决定装备精度、效能、寿命、可靠性等指标能否实现的关键因素，具有不可替代、不可或缺的作用，进而成为国家材料技术水平的重要标志。
金属基复合材料在民用领域同样也迎来了发展机遇期。世界性的能源问题引发了轨道交通、电动汽车等领域的轻量化技术需求，金属基复合材料在某些部件上已经成为唯一的替代材料。例如，高速铁路列车的大功率电子器件、第五代移动通信（5G）基站关键模块的散热问题已经无法依靠常规材料来解决，只有金属基复合材料才能胜任。随着智能制造的兴起，越来越多的高速往复运动部件要求具有低密度、高耐磨、高刚度、低成本等特性，而仅有金属基复合材料可以满足其需求。
未来5~10年，随着装备更新换代步伐的加快，我国金属基复合材料的市场需求将出现“井喷式”态势。预计国内市场主要分布在：高精度机电产品、空间光学仪器、惯导仪器、轨道交通与地面交通装备、电子器件、通信设施、新光源、微波装置等。具体来说，第三代半导体器件、5G 通信、电动汽车、高铁刹车盘、商业航天等产品领域将会有千亿元级别的庞大市场需求。
综合来看，金属基复合材料是一种具有战略性的新材料。我国经过近 40 年的研究，材料设计技术逐渐趋于成熟，若干制造技术已经达到国际先进甚至领先的水平；军民两用装备升级换代的需求正在加速，在技术层面上对金属基复合材料的刚性需求有所加强。在此大背景下，以往大多面向国防应用的金属基复合材料有望快速转化并进入民用装备市场，金属基复合材料产业新的发展战略机遇期正在到来。
撰写：哲方资本团队
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