1、金屬復(fù)合材料定義、分類

金屬復(fù)合材料一般由兩種或多種不同性質(zhì)的金屬或金屬與非金屬通過物理、化學(xué)或機(jī)械方法復(fù)合而成的一類新型材料。金屬復(fù)合材料通過各組分材料間的協(xié)同效應(yīng)，發(fā)揮各組分材料的優(yōu)點(diǎn)，使材料呈現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，從而滿足特定場景的性能需求。金屬復(fù)合材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以分為金屬基復(fù)合材料和層狀金屬復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料根據(jù)增強(qiáng)體的形態(tài)分為連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料和非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料以連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體，例如碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料充分發(fā)揮了增強(qiáng)材料的性能，顯著提升金屬基體材料的強(qiáng)度和剛度；非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料包括顆粒增強(qiáng)和短纖維增強(qiáng)及晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，顆粒增強(qiáng)通過彌散分布的顆粒提高材料性能，短纖維增強(qiáng)則憑借短纖維改善材料的綜合性能。層狀金屬復(fù)合材料是通過爆炸復(fù)合、軋制復(fù)合或其他制備技術(shù)實現(xiàn)多類型基層金屬的復(fù)合，產(chǎn)品表現(xiàn)出復(fù)合效益。

圖1 金屬復(fù)合材料分類示意圖

2、金屬基復(fù)合材料定義、分類、市場規(guī)模

2.1 金屬基復(fù)合材料的定義和分類

金屬基復(fù)合材料（MMCs）是一類通過復(fù)合工藝將增強(qiáng)相（包括纖維、晶須、顆粒等）均勻分散于金屬或合金基體中制備而成的先進(jìn)工程材料。金屬基復(fù)合材料是以金屬材料為連續(xù)基體，與增強(qiáng)體有明顯界面的人工材料，兼具金屬基體的高韌性與增強(qiáng)相的高強(qiáng)度特性，呈現(xiàn)出一系列優(yōu)異性能：包括高比強(qiáng)度（＞200 MPa?cm3?g?1）、高比模量、耐高溫（300-1200℃）、耐磨損、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異、低熱膨脹系數(shù)、尺寸穩(wěn)定性好、抗疲勞（疲勞壽命數(shù)倍于金屬）及斷裂韌性提升等綜合優(yōu)勢，同時具備抗吸濕、無輻射污染等環(huán)境友好特性。

根據(jù)材料設(shè)計原理與工程應(yīng)用需求，復(fù)合材料可以通過優(yōu)化基體和增強(qiáng)相的組合，設(shè)計出需要的材料性能，滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。金屬基復(fù)合材料的分類體系可從多個維度進(jìn)行科學(xué)劃分：按增強(qiáng)體可分為纖維增強(qiáng)（含連續(xù)纖維與短纖維/晶須）和顆粒增強(qiáng)，分別賦予材料高強(qiáng)度、耐磨或多功能特性；按基體金屬則包括鋁基（輕量化）、鎂基（超輕高比強(qiáng)）、鈦基（耐高溫抗腐蝕）等體系；此外還可根據(jù)用途（結(jié)構(gòu)/功能）或工藝（固態(tài)/液態(tài)/原位生成）進(jìn)一步細(xì)分。這種多維度分類體系充分體現(xiàn)了材料科學(xué)與工程領(lǐng)域 "成分-工藝-結(jié)構(gòu)-性能" 的內(nèi)在聯(lián)系，為航空航天（減重 20-30%）、汽車制造（發(fā)動機(jī)部件壽命延長 50%）、電子封裝（熱膨脹系數(shù)匹配性提升）及高端裝備等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了重要物質(zhì)基礎(chǔ)。金屬基復(fù)合材料以其優(yōu)異的綜合性能，在航空航天、汽車、電子、工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 金屬基復(fù)合材料的市場規(guī)模

近年來，中國的金屬復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)持續(xù)展現(xiàn)出穩(wěn)健的增長態(tài)勢，引起了行業(yè)內(nèi)外的高度關(guān)注，2024年市場規(guī)模達(dá)到了110.5億元人民幣。經(jīng)過分析與預(yù)測，2025年中國金屬復(fù)合材料市場的總值有望突破475億元人民幣大關(guān)。2020年至2027年，該行業(yè)的年均復(fù)合增長率（CAGR）預(yù)計高達(dá)13.9%，高于復(fù)合材料的整體增長水平，充分展示了金屬復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)在中國市場上的巨大潛力和發(fā)展前景。其高速增長的動力源于以下兩個方面：一方面，國家對新材料產(chǎn)業(yè)的高度重視，出臺了諸如《中國制造2025》、《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》等政策，為金屬基復(fù)合材料行業(yè)創(chuàng)造了有利的政策環(huán)境，有效促進(jìn)了行業(yè)的發(fā)展。另一方面，航空航天、武器裝備、軍工電子、新一代信息通信、新能源汽車、消費(fèi)電子等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對金屬基復(fù)合材料的需求不斷增長；隨著航空航天、新能源汽車等高端應(yīng)用領(lǐng)域需求的持續(xù)強(qiáng)勁，我們有充分的理由相信，中國金屬基復(fù)合材料行業(yè)在未來幾年增長速度有望進(jìn)一步加快，行業(yè)將迎來發(fā)展機(jī)遇期。

圖2 中國金屬復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料市場規(guī)模

（資料來源：公開信息、中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會）

3、層狀金屬復(fù)合材料定義、分類、市場規(guī)模

3.1層狀金屬復(fù)合材料的定義和分類

層狀金屬復(fù)合材料，是通過將兩種或兩種以上的金屬或合金以層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序組合而形成的一類先進(jìn)復(fù)合材料。各金屬層之間通過物理或化學(xué)作用緊密結(jié)合，在復(fù)合界面生成一定厚度的原子擴(kuò)散層，構(gòu)成一類綜合性能超越單層金屬的新型材料。這類材料通過整合不同金屬、充分發(fā)揮“取長補(bǔ)短”的獨(dú)特優(yōu)勢，實現(xiàn)了低密度、高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕、耐高溫以及優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等兩種或多種功能的協(xié)同效應(yīng)。因此，在航空航天、電力電子、汽車制造、建筑工程等多個領(lǐng)域，層狀金屬復(fù)合材料得到了廣泛的應(yīng)用。

表1  層狀金屬復(fù)合材料分類

3.2 層狀金屬復(fù)合材料的市場規(guī)模

中國層狀金屬復(fù)合材料行業(yè)2020年市場規(guī)模為194.3億元，受益于新能源、航空航天和消費(fèi)電子等領(lǐng)域需求爆發(fā)，2024年快速增至310億元（CAGR達(dá)12.4%）。展望后市，預(yù)計2027年將達(dá)398億元，受原材料價格波動（2024年同比上漲10%）和碳纖維替代（航空航天領(lǐng)域滲透率已達(dá)30%）等挑戰(zhàn)影響，增速將放緩至8.7%。若新能源政策持續(xù)加碼，2027年市場規(guī)模有望突破420億元，但需警惕全球經(jīng)濟(jì)下行對基建投資的潛在影響。

圖3 中國層狀金屬復(fù)合材料市場規(guī)模

（資料來源：公開信息、中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會）

4、金屬復(fù)合材料下游應(yīng)用領(lǐng)域市場規(guī)模

4.1 航空航天

金屬基復(fù)合材料（MMCs）在高比強(qiáng)度、高比剛度及耐高溫性能的獨(dú)特性能使其在航空航天領(lǐng)域展得到廣泛應(yīng)用，尤其卓越的耐熱性和抗疲勞性能被用于發(fā)動機(jī)渦輪葉片、壓氣機(jī)葉片的制造。金屬基復(fù)合材料生產(chǎn)的機(jī)身框架、翼梁、動環(huán)等結(jié)構(gòu)件在保持結(jié)構(gòu)完整性和強(qiáng)度的同時，顯著減輕了整體重量。用于熱管理系統(tǒng)，如熱交換器、散熱片等功能部件中將提設(shè)備的高熱效率和可靠性。

圖4 波音787機(jī)身；F-35戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)部件

美國已組織多個以軍事應(yīng)用為目標(biāo)的復(fù)合材料研究項目，致力于開發(fā)鋁基復(fù)合材料在航空、航天器件上的應(yīng)用。這些研究取得了顯著成果，鋁基復(fù)合材料被用于制造哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的天線導(dǎo)波導(dǎo)桿、F-16戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)腹尾翼和進(jìn)油門、發(fā)動機(jī)部件等關(guān)鍵零部件。利用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制作的導(dǎo)彈控制尾翼、發(fā)射管、三角架等零件，充分發(fā)揮了高剛度的特性，提升了裝備的穩(wěn)定性；SiCp/A356或A357復(fù)合材料被用于制造飛機(jī)液壓管、直升飛機(jī)支架和閥體；25%SiCp/2099復(fù)合材料則用于制造火箭發(fā)動機(jī)的其它零部件。美國DWA公司采用SiC顆粒增強(qiáng)6092鋁基復(fù)合材料替代鋁合金，大規(guī)模應(yīng)用于F-16戰(zhàn)斗機(jī)的垂直尾翼，壽命提升17倍。Eurocopter公司廣泛采用SiCp/Al復(fù)合材料生產(chǎn)EC-120和N4直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的一級關(guān)鍵零件，替代原鈦合金材料，實現(xiàn)減重30%以上。此外，AIcan公司利用SiCp/Al復(fù)合材料成功制造出導(dǎo)彈殼體、輕型坦克的履帶板、雷達(dá)天線、飛機(jī)常平環(huán)等軍事用品。在國內(nèi)，金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用也日益廣泛，采用SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，成功制造了導(dǎo)彈、衛(wèi)星、兵器上的多種關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)件或功能件，應(yīng)用取得重大進(jìn)展，部分制品如圖所示，這些制品具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高耐磨的性能特點(diǎn)。同時，還制備了精密光學(xué)儀器用主鏡筒、反射鏡、裝星底板等部件，具備尺寸穩(wěn)定、熱變形小、熱膨脹系數(shù)低的優(yōu)勢。北京航空材料研究所等研究單位也成功制造出多種宇航用鋁基復(fù)合材料零件樣品。

圖5 國內(nèi)部分SiCp/AL復(fù)合材料實用構(gòu)件

隨著航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，對材料性能的要求變得越來越嚴(yán)格和復(fù)雜，溫度耐受性、比強(qiáng)度比剛度更高，對抗疲勞和抗沖擊的綜合性能要求更高。輕量化也是關(guān)鍵趨勢，以減少飛行器重量，降低燃料消耗，提高飛行效率。如圖8所示，飛行器每減重1kg的經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)約10萬美元（航天載具每公斤發(fā)射成本約5萬美元），當(dāng)代技術(shù)的進(jìn)步已顯著降低，以SpaceX獵鷹9號為例，每公斤發(fā)射成本已降至2,720美元，而獵鷹重型火箭更低至1,410美元/kg，減重效益相應(yīng)降低。此外，航空航天材料正向著智能化發(fā)展，集成自修復(fù)和自監(jiān)測功能，以提高飛行器的整體可靠性和安全性。

圖6 飛行器減重1kg所取得的經(jīng)濟(jì)效益與飛行速率關(guān)系

4.2 新能源汽車

針對汽車工業(yè)輕量化的發(fā)展趨勢，鋁基復(fù)合材料在某些領(lǐng)域逐漸替代了鋁合金、鋼、陶瓷等傳統(tǒng)汽車材料，廣泛應(yīng)用于汽車關(guān)鍵零部件，尤其是高速運(yùn)動部件。這種材料在減輕重量、減少運(yùn)動慣性、降低油耗、改善排放以及提升汽車綜合性能等方面發(fā)揮著積極作用，正受到越來越多方面的關(guān)注。

日本、美國等發(fā)達(dá)國家紛紛投入巨額資金，積極展開鋁基復(fù)合材料及其在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的研究，并已取得顯著成效。美國FORD公司采用20%SiCp/A356成功研制出制動盤產(chǎn)品，批量應(yīng)用于高級轎車的后輪；Lotus公司將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于Elise的前后輪制動盤；Lanxide公司生產(chǎn)的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料汽車制動盤已投入生產(chǎn)。此外，德國采用非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造發(fā)動機(jī)缸套，實現(xiàn)減重3-4.5 kg，較傳統(tǒng)鑄鐵缸套減輕約15%-35%；鋁基復(fù)合材料導(dǎo)熱率121-180 W/(m·K)，較鑄鐵（約 50 W/(m·K)）提升 1.4-2.6倍，加速缸體散熱，降低局部熱點(diǎn)溫度。鋁基復(fù)合材料熱膨脹系數(shù) 17-19×10??/℃，與活塞鋁合金（約20×10??/℃）匹配度更高，降低配缸間隙至0.02-0.05 mm，減少噪音和摩擦損失；激光珩磨或碳化硅顆粒增強(qiáng)層使缸套表面硬度達(dá) HV 160-200，較鑄鐵提升 20%-30%，摩擦系數(shù)降低 5%-15%，高硅鋁合金中硬質(zhì)Si相均勻分布，減少活塞環(huán)磨損，潤滑油消耗降低 30%，延長維護(hù)周期。復(fù)合材料缸套成本較鑄鐵高 20%-30%，但全生命周期燃油經(jīng)濟(jì)性提升 8%-12%，碳減排量達(dá) 6.7 g/km。戴姆勒-奔馳在 V6發(fā)動機(jī) 中應(yīng)用該技術(shù)，實現(xiàn)單機(jī)減重 18-22 kg，功率密度提升 10%，同時缸套壽命延長至 30萬公里（較鑄鐵提升 2倍）；豐田已批量使用鋁基復(fù)合材料于轎車發(fā)動機(jī)缸套，最強(qiáng)V6發(fā)動機(jī)V35A-FTS上采用一種稱為"Laser Clad" 或 "Spray Bore" 技術(shù) ，即在鋁合金氣缸體內(nèi)通過激光熔覆或熱噴涂方式形成一層極薄的耐磨金屬層，從而省去傳統(tǒng)鑄鐵缸套，實現(xiàn)減重與提升熱效率的目的，心臟熱效率接近38%。采用15%SiCp/2080Al復(fù)合材料制造的連桿具備低熱膨脹、高彈性模量、耐磨等特性，在150~180 ℃下具有高疲勞抗力，疲勞強(qiáng)度近170 MPa。

圖7 制動盤、汽車熱交換系統(tǒng)、軌道交通、新能源電池冷卻器

（圖片來源：湖南湘投金天鋁業(yè)、銀邦股份）

2024年，我國新能源汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到1288.8萬輛和1286.6萬輛，同比增長34.4%和35.5%，占汽車總銷量的40.9%，純電動汽車銷量占比60%。全國機(jī)動車保有量達(dá)4.53億輛，汽車占77.9%，新能源汽車保有量3140萬輛，占汽車總量的8.90%，其中純電動汽車占70.34%。新能源汽車市場的增長推動了金屬基復(fù)合材料的需求，促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級。

圖8新能源汽車產(chǎn)銷量及保有量

（資料來源：中國汽車工業(yè)協(xié)會、公安部）

綜上所述，新能源汽車的快速發(fā)展從技術(shù)性能、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、政策支持和市場前景等多個方面對金屬基復(fù)合材料的需求產(chǎn)生了顯著推動作用，并且隨著新能源汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，這種推動作用還將持續(xù)增強(qiáng)，為金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展帶來廣闊前景。

4.3電子信息

4.3.1 5G 通信與散熱解決方案

隨著 5G 通信技術(shù)的普及，電子器件的功率密度呈指數(shù)級增長，對散熱材料提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。國內(nèi)企業(yè)開發(fā)的高導(dǎo)熱石墨鋁復(fù)合材料通過石墨烯與鋁基體的界面優(yōu)化，成功將熱導(dǎo)率提升至 600 W/(m?K)，較純鋁提高2倍以上。該材料已規(guī)?；瘧?yīng)用于 5G 基站散熱模塊，在- 40℃至 + 85℃溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定熱擴(kuò)散，保障了基站 24 小時連續(xù)運(yùn)行的可靠性。

表2 高導(dǎo)熱石墨鋁復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料的性能對比

（資料來源：中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會整理）

圖9 國內(nèi)企業(yè)開發(fā)的高導(dǎo)熱石墨鋁復(fù)合材料零件

硅鋁復(fù)合材料（如 50% Si/Al）因其與陶瓷基板匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE≈11 ppm/℃），成為微波器件封裝的理想選擇。采用該材料制備的 Ku 波段濾波器，在 500 次溫度循環(huán)后仍保持信號插損≤0.5 dB，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)金屬封裝方案。

4.3.2消費(fèi)電子輕量化

隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品趨向輕薄化，金屬復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛。通過攪拌摩擦焊技術(shù)和熱等靜壓技術(shù)生產(chǎn)的鈦鋁雙金屬層狀復(fù)合材料一體化手機(jī)中框已廣泛應(yīng)用于高端手機(jī)，在保持鈦合金高強(qiáng)度、高剛度、高耐磨性能基礎(chǔ)上，通過復(fù)合鋁合金實現(xiàn)了大幅度減輕重量。此外，采用碳化硅鋁金屬基復(fù)合材料（業(yè)內(nèi)稱為金剛鋁）箔材做成的支撐板、電池倉、風(fēng)扇殼體、鍵盤支架等結(jié)構(gòu)件，首次實現(xiàn)在高端手機(jī)、筆記本電腦、智能手表等關(guān)鍵零部件上的規(guī)?；瘧?yīng)用，進(jìn)一步解決了消費(fèi)電子產(chǎn)品的輕量化需求。

圖10 2013-2024年中國智能手機(jī)出貨量

（資料來源：Wind）

4.3.3半導(dǎo)體制造關(guān)鍵材料

第三代半導(dǎo)體器件的發(fā)展對襯底材料提出更高要求。東尼電子通過化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)突破碳化硅單晶生長瓶頸，制備的 6 英寸 SiC 襯底缺陷密度 < 100 cm?2，成功通過臺積電認(rèn)證，用于 28 nm 以下芯片制造。此外，SiC/Al 復(fù)合托盤在晶圓傳輸過程中可將振動幅度降低 40%，顯著提升半導(dǎo)體制造良率。

圖11 高硅鋁電子封裝產(chǎn)品

（資料來源：天津百恩威官網(wǎng)）

5、金屬復(fù)合材料行業(yè)未來發(fā)展趨勢

技術(shù)領(lǐng)域，智能化與性能突破成為核心驅(qū)動力。制備技術(shù)方面，增材制造等工藝滲透率不斷攀升，但界面反應(yīng)和孔隙率控制等難題亟待攻克。納米復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度在 2024 年實驗室數(shù)據(jù)中突破 1.5GPa，2027 年有望實現(xiàn)商業(yè)化（博覽會官方新聞稿）；熱膨脹系數(shù)極低的功能化材料已應(yīng)用于航天光學(xué)系統(tǒng)。數(shù)字化賦能同樣顯著，智能工廠借助 MES 系統(tǒng)使良品率提升 15%，AI 材料設(shè)計將研發(fā)周期從 5 年大幅縮短至 18 個月（MIT 2025研究）。

市場需求正呈現(xiàn)新興領(lǐng)域崛起與綠色轉(zhuǎn)型的特點(diǎn)，例如5G/6G、新能源、生物醫(yī)療等領(lǐng)域需求旺盛，具體案例包括通信基站采用鋁碳化硅復(fù)合材料進(jìn)行散熱，新能源汽車電池包使用鈦鋁復(fù)合防護(hù)層，以及骨科植入物中應(yīng)用鎂基復(fù)合材料。此外，定制化趨勢亦日益增強(qiáng)。企業(yè)需具備強(qiáng)大的研發(fā)和生產(chǎn)能力，以滿足客戶在金屬復(fù)合材料性能、規(guī)格、形狀等方面的個性化需求。同時，環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，例如歐盟要求2027年復(fù)合材料回收率須達(dá)到90%，這促使企業(yè)在生產(chǎn)過程中注重節(jié)能減排，并確保產(chǎn)品具有良好的可回收性和環(huán)境友好性。金屬基復(fù)合材料行業(yè)面臨技術(shù)創(chuàng)新壓力，部分關(guān)鍵技術(shù)依賴進(jìn)口，國際貿(mào)易環(huán)境復(fù)雜，資源環(huán)境約束及原材料價格波動影響生產(chǎn)成本和穩(wěn)定性。國內(nèi)企業(yè)正積極應(yīng)對挑戰(zhàn)，加大技術(shù)研發(fā)投入，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升附加值，拓展國內(nèi)市場，并考慮海外投資并購，強(qiáng)化資源管理，優(yōu)化采購策略，提高資源利用效率，降低成本，同時加大環(huán)保投入，采用清潔生產(chǎn)技術(shù)，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。