高性能复合材料之金属基复合材料的发展趋势及市场规模

与传统金属合金不同，金属基复合材料(MMCs)具有独特的物理、热、电、化学和机械性能，这使它们最适合于当今基于产品的制造过程。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。随着材料和制造工艺不断改进的需要，MMCs不断取代传统材料，满足材料科学、航空航天制造、汽车工程、生物医学工程、国防和许多其他领域的最新进展和要求。

MMCs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。最常用的金属包括铜、钛、镁、铝及其合金。然而，由于铝基复合材料具有独特的优点，研究最广泛的是铝基复合材料。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。其独特的特性使MMCs成为传统材料的更好替代品，因为可以根据预期的目的对合成材料的性能进行修改。尤其MMCs的工作温度范围明显高于其它复合材料（比如树脂基复合材料），可以应用在条件更为苛刻的环境中。

尽管有这些优势，但目前对金属基复合材料的专业知识受限、加工工艺和过程控制难度高以及高昂的生产成本一直是MMCs在不同领域商业化和后续应用的重大挑战。最近的研究进展集中在针对特定目的改进这些复合材料的性能和优化制造工艺上。本文着重介绍了近年来MMCs制造和应用方面的最新研究进展。

MMCs的制备方法及性能

许多研究人员通过对增强体与金属基体界面反应规律的研究和整合，开发出多种制备金属基复合材料的方法。固态和液态技术是MMCs最常见的传统制造工艺，每种方法在成本和所需性能方面都有其优势。

固态制造技术涉及粉末冶金、扩散结合和搅拌摩擦过程。粉末冶金(PM)是最常见的技术，一般来说，固态制造工艺是在金属基体的熔点以下进行的。

在粉末冶金中，金属基体和增强材料按所需的比例组合，压缩成所需的形状，并通过在略低于所使用材料熔点的温度下加热，使其在固态中结合。

在《今日材料》(Materials Today)杂志上的一项研究中，作者使用了固态粉末冶金技术研究了Al-SiC金属基复合材料的制备，以观察其力学及机械性能。根据研究人员的说法，这种方法的合理性是基于这样一个事实，即粉末冶金可以根据使用的起始材料生产具有新颖成分和性能的MMCs。通过共混、压实、搅拌等过程，增强材料在金属基体相中分布均匀，无副产物出现。对感兴趣的力学性能，如密度、孔隙度和硬度进行了评估，发现得到了显著改进。

在《物理学杂志》的另一项研究中，报道了用粉末冶金制备的金属基复合材料Al-Cu-Mg/SiCp的机械性能。将粉末按所需比例混合后，在350℃下进行热压处理，然后在500℃下保温1小时。最后的老化步骤持续16小时，之后对最终的复合材料进行各种分析以确定其物理和机械性能。据报道，结果表明所制造的MMCs的硬度显著提高。

最新研究表明，固体粉末冶金是高性能铝MMCs最广泛使用的制造方法之一。与使用类似材料组分的液相方法相比，使用PM制备的MMCs具有显著的机械、化学和物理性能改善。这种优势是由于减少了不必要的界面交互。然而，PM技术成本较高，这仍然是一个重大挑战。

液态制造技术包括铸造法和渗透法。这项技术在较高的温度下进行，通常在金属基体的熔点附近，因为它必须在熔融状态下进行。有多种铸造方法。

搅拌铸造是工业应用中最普遍和最经济的制造MMCs的方法。原则上金属基体处于熔融状态，在不断搅拌的情况下加入增强材料，以保证材料分散均匀。这种方法性价比高，因此很受欢迎。不幸的是，它对颗粒大小很敏感，只允许小尺寸的增强材料扩散。

另一方面，渗透是一个高成本的过程，涉及通过气体或真空将强化颗粒运输到金属基体的孔隙中。这一过程允许形成高体积的复合材料(高达70%的体积)，接近净形状。这种方法是昂贵的，需要先进的制造装置，使它不适合大规模生产。

在《材料》杂志上发表的一项研究中，作者综述了使用搅拌铸造方法制备的AA 6061金属基复合材料的性能。其使用了各种增强材料，包括纳米材料和金属合金，如SiC、TiC和B4C。在所有这些研究中，作者报道了复合材料机械和摩擦学性能与增强材料增加之间存在正相关关系。

为了各种工业应用而不断开发具有改进的机械、物理和化学性能的材料是当代人们感兴趣的课题。MMCs正在取代传统的金属合金，因为它们可以预先确定特定应用的性能。MMCs最令人垂涎的特性包括其高强度重量比、密度、耐久性、高拉伸强度、改进的耐磨性、硬度等。这些特性使得MMCs在海洋工程、国防、生物医学工程、汽车和飞机制造中具有极高的价值。

在汽车工业中，铝制MMCs在制造轻型制动卡钳、活塞销、活塞、连杆和其他发动机部件方面得到了实际应用。在不同的行业中，铝制MMCs是使用最广泛的，这也是它们受欢迎的原因。

纳米颗粒或纳米管在MMCs制造中的整合还有待充分探索和商业化。到目前为止，最近的研究表明，这些类别的MMCs具有替代传统材料的潜力，正如使用碳纳米管取代碳纤维方面所看到的那样。为了不断改善MMCs的性能，并开发出具有成本效益和方便的制造方法，纳米颗粒可以在这方面发挥重要作用。

根据新思界产业研究中心发布的《2022-2026年金属基复合材料（MMCs）行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，2021年，全球金属基复合材料市场规模约为5.4亿美元；预计2021-2026年，全球金属基复合材料市场将以5.6%左右的年均复合增速增长，到2026年市场规模将达到7.1亿美元。在全球范围内，美国是最大的金属基复合材料市场，主要得益于其国防开支大、通用飞机生产实力强；中国是全球最大的电子、汽车生产国，轨道交通、航空航天、军工等产业发展迅速，预计未来5年金属基复合材料需求增长更为快速。

全球市场中，金属基复合材料领先生产商主要有美国3M、美国DWA Aluminum Composites、美国CMT公司、加拿大力拓加铝（Rio Tinto Alcan）、英国GKN集团、德国Deutsche Edelstahlwerke、比利时Magotteaux等。北美、欧洲地区金属基复合材料行业起步较早，技术工艺相对成熟，产量大且产品质量高，由于金属基复合材料是战略性新材料，这些国家对其技术严密封锁。

我国金属基复合材料研究于20世纪80年代开始起步，目前产业链建设基本完善，部分细分产品发展迅速，代表性生产企业主要有银邦股份、南京润邦、哈尔滨翔科、西安法迪、湖南浩威特等。但金属基复合材料制造工艺复杂、价格高昂，主要应用在高技术产业中，限制了其应用规模进一步扩大。未来，我国金属基复合材料行业发展的目标是开发新工艺、技术成熟化、降低生产成本，以提升产品综合竞争力、扩大其应用范围。

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