與傳統(tǒng)金屬合金不同，金屬基復(fù)合材料(MMCs)具有獨(dú)特的物理、熱、電、化學(xué)和機(jī)械性能，這使它們最適合于當(dāng)今基于產(chǎn)品的制造過(guò)程。金屬基復(fù)合材料，英文簡(jiǎn)稱(chēng)MMCs，是以金屬/合金為基體，以一種或多種金屬或非金屬為增強(qiáng)體，采用人工合成法制造而成的復(fù)合材料。由于各組成相性能互補(bǔ)，金屬基復(fù)合材料綜合性能優(yōu)異，具有比強(qiáng)度高、彈性模量高、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨、抗斷裂、抗疲勞、耐高溫、導(dǎo)熱導(dǎo)電、不吸濕等特點(diǎn)，是一種戰(zhàn)略性新材料。隨著材料和制造工藝不斷改進(jìn)的需要，MMCs不斷取代傳統(tǒng)材料，滿足材料科學(xué)、航空航天制造、汽車(chē)工程、生物醫(yī)學(xué)工程、國(guó)防和許多其他領(lǐng)域的最新進(jìn)展和要求。

MMCs的基體一般采用鋁、銅、鎂、鋅、鈦等有色金屬及其合金，以及金屬間化合物、高溫合金等。最常用的金屬包括銅、鈦、鎂、鋁及其合金。然而，由于鋁基復(fù)合材料具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，研究最廣泛的是鋁基復(fù)合材料。增強(qiáng)體一般采用纖維狀、顆粒狀、晶須狀的碳、碳化硅、石墨、硼、陶瓷等無(wú)機(jī)非金屬以及金屬。其獨(dú)特的特性使MMCs成為傳統(tǒng)材料的更好替代品，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)預(yù)期的目的對(duì)合成材料的性能進(jìn)行修改。尤其MMCs的工作溫度范圍明顯高于其它復(fù)合材料（比如樹(shù)脂基復(fù)合材料），可以應(yīng)用在條件更為苛刻的環(huán)境中。

盡管有這些優(yōu)勢(shì)，但目前對(duì)金屬基復(fù)合材料的專(zhuān)業(yè)知識(shí)受限、加工工藝和過(guò)程控制難度高以及高昂的生產(chǎn)成本一直是MMCs在不同領(lǐng)域商業(yè)化和后續(xù)應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。最近的研究進(jìn)展集中在針對(duì)特定目的改進(jìn)這些復(fù)合材料的性能和優(yōu)化制造工藝上。本文著重介紹了近年來(lái)MMCs制造和應(yīng)用方面的最新研究進(jìn)展。

MMCs的制備方法及性能

許多研究人員通過(guò)對(duì)增強(qiáng)體與金屬基體界面反應(yīng)規(guī)律的研究和整合，開(kāi)發(fā)出多種制備金屬基復(fù)合材料的方法。固態(tài)和液態(tài)技術(shù)是MMCs最常見(jiàn)的傳統(tǒng)制造工藝，每種方法在成本和所需性能方面都有其優(yōu)勢(shì)。

固態(tài)制造技術(shù)涉及粉末冶金、擴(kuò)散結(jié)合和攪拌摩擦過(guò)程。粉末冶金(PM)是最常見(jiàn)的技術(shù)，一般來(lái)說(shuō)，固態(tài)制造工藝是在金屬基體的熔點(diǎn)以下進(jìn)行的。

在粉末冶金中，金屬基體和增強(qiáng)材料按所需的比例組合，壓縮成所需的形狀，并通過(guò)在略低于所使用材料熔點(diǎn)的溫度下加熱，使其在固態(tài)中結(jié)合。

在《今日材料》(Materials Today)雜志上的一項(xiàng)研究中，作者使用了固態(tài)粉末冶金技術(shù)研究了Al-SiC金屬基復(fù)合材料的制備，以觀察其力學(xué)及機(jī)械性能。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，這種方法的合理性是基于這樣一個(gè)事實(shí)，即粉末冶金可以根據(jù)使用的起始材料生產(chǎn)具有新穎成分和性能的MMCs。通過(guò)共混、壓實(shí)、攪拌等過(guò)程，增強(qiáng)材料在金屬基體相中分布均勻，無(wú)副產(chǎn)物出現(xiàn)。對(duì)感興趣的力學(xué)性能，如密度、孔隙度和硬度進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)得到了顯著改進(jìn)。

在《物理學(xué)雜志》的另一項(xiàng)研究中，報(bào)道了用粉末冶金制備的金屬基復(fù)合材料Al-Cu-Mg/SiCp的機(jī)械性能。將粉末按所需比例混合后，在350℃下進(jìn)行熱壓處理，然后在500℃下保溫1小時(shí)。最后的老化步驟持續(xù)16小時(shí)，之后對(duì)最終的復(fù)合材料進(jìn)行各種分析以確定其物理和機(jī)械性能。據(jù)報(bào)道，結(jié)果表明所制造的MMCs的硬度顯著提高。

最新研究表明，固體粉末冶金是高性能鋁MMCs最廣泛使用的制造方法之一。與使用類(lèi)似材料組分的液相方法相比，使用PM制備的MMCs具有顯著的機(jī)械、化學(xué)和物理性能改善。這種優(yōu)勢(shì)是由于減少了不必要的界面交互。然而，PM技術(shù)成本較高，這仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

液態(tài)制造技術(shù)包括鑄造法和滲透法。這項(xiàng)技術(shù)在較高的溫度下進(jìn)行，通常在金屬基體的熔點(diǎn)附近，因?yàn)樗仨氃谌廴跔顟B(tài)下進(jìn)行。有多種鑄造方法。

攪拌鑄造是工業(yè)應(yīng)用中最普遍和最經(jīng)濟(jì)的制造MMCs的方法。原則上金屬基體處于熔融狀態(tài)，在不斷攪拌的情況下加入增強(qiáng)材料，以保證材料分散均勻。這種方法性價(jià)比高，因此很受歡迎。不幸的是，它對(duì)顆粒大小很敏感，只允許小尺寸的增強(qiáng)材料擴(kuò)散。

另一方面，滲透是一個(gè)高成本的過(guò)程，涉及通過(guò)氣體或真空將強(qiáng)化顆粒運(yùn)輸?shù)浇饘倩w的孔隙中。這一過(guò)程允許形成高體積的復(fù)合材料(高達(dá)70%的體積)，接近凈形狀。這種方法是昂貴的，需要先進(jìn)的制造裝置，使它不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

在《材料》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，作者綜述了使用攪拌鑄造方法制備的AA 6061金屬基復(fù)合材料的性能。其使用了各種增強(qiáng)材料，包括納米材料和金屬合金，如SiC、TiC和B4C。在所有這些研究中，作者報(bào)道了復(fù)合材料機(jī)械和摩擦學(xué)性能與增強(qiáng)材料增加之間存在正相關(guān)關(guān)系。

為了各種工業(yè)應(yīng)用而不斷開(kāi)發(fā)具有改進(jìn)的機(jī)械、物理和化學(xué)性能的材料是當(dāng)代人們感興趣的課題。MMCs正在取代傳統(tǒng)的金屬合金，因?yàn)樗鼈兛梢灶A(yù)先確定特定應(yīng)用的性能。MMCs最令人垂涎的特性包括其高強(qiáng)度重量比、密度、耐久性、高拉伸強(qiáng)度、改進(jìn)的耐磨性、硬度等。這些特性使得MMCs在海洋工程、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)工程、汽車(chē)和飛機(jī)制造中具有極高的價(jià)值。

在汽車(chē)工業(yè)中，鋁制MMCs在制造輕型制動(dòng)卡鉗、活塞銷(xiāo)、活塞、連桿和其他發(fā)動(dòng)機(jī)部件方面得到了實(shí)際應(yīng)用。在不同的行業(yè)中，鋁制MMCs是使用最廣泛的，這也是它們受歡迎的原因。

納米顆粒或納米管在MMCs制造中的整合還有待充分探索和商業(yè)化。到目前為止，最近的研究表明，這些類(lèi)別的MMCs具有替代傳統(tǒng)材料的潛力，正如使用碳納米管取代碳纖維方面所看到的那樣。為了不斷改善MMCs的性能，并開(kāi)發(fā)出具有成本效益和方便的制造方法，納米顆粒可以在這方面發(fā)揮重要作用。

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2022-2026年金屬基復(fù)合材料（MMCs）行業(yè)深度市場(chǎng)調(diào)研及投資策略建議報(bào)告》顯示，2021年，全球金屬基復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模約為5.4億美元；預(yù)計(jì)2021-2026年，全球金屬基復(fù)合材料市場(chǎng)將以5.6%左右的年均復(fù)合增速增長(zhǎng)，到2026年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到7.1億美元。在全球范圍內(nèi)，美國(guó)是最大的金屬基復(fù)合材料市場(chǎng)，主要得益于其國(guó)防開(kāi)支大、通用飛機(jī)生產(chǎn)實(shí)力強(qiáng)；中國(guó)是全球最大的電子、汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)，軌道交通、航空航天、軍工等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，預(yù)計(jì)未來(lái)5年金屬基復(fù)合材料需求增長(zhǎng)更為快速。

全球市場(chǎng)中，金屬基復(fù)合材料領(lǐng)先生產(chǎn)商主要有美國(guó)3M、美國(guó)DWA Aluminum Composites、美國(guó)CMT公司、加拿大力拓加鋁（Rio Tinto Alcan）、英國(guó)GKN集團(tuán)、德國(guó)Deutsche Edelstahlwerke、比利時(shí)Magotteaux等。北美、歐洲地區(qū)金屬基復(fù)合材料行業(yè)起步較早，技術(shù)工藝相對(duì)成熟，產(chǎn)量大且產(chǎn)品質(zhì)量高，由于金屬基復(fù)合材料是戰(zhàn)略性新材料，這些國(guó)家對(duì)其技術(shù)嚴(yán)密封鎖。

我國(guó)金屬基復(fù)合材料研究于20世紀(jì)80年代開(kāi)始起步，目前產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)基本完善，部分細(xì)分產(chǎn)品發(fā)展迅速，代表性生產(chǎn)企業(yè)主要有銀邦股份、南京潤(rùn)邦、哈爾濱翔科、西安法迪、湖南浩威特等。但金屬基復(fù)合材料制造工藝復(fù)雜、價(jià)格高昂，主要應(yīng)用在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，限制了其應(yīng)用規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。未來(lái)，我國(guó)金屬基復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)新工藝、技術(shù)成熟化、降低生產(chǎn)成本，以提升產(chǎn)品綜合競(jìng)爭(zhēng)力、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)綜編，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。