金属基复合材料（MMCs）是指采用人工方法，将不同尺寸、不同形态（包括纤维、晶须、颗粒、纳米颗粒等）的无机非金属（或金属）增强体添加到金属基体中制成的新型材料，可以发挥出增强体和基体各自的性能优势，获得“合金”材料所不具备的特殊性能。
一代装备，一代材料。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，MMCs已经成为不可替代的战略性新材料。
一、MMCs产业战略机遇期研判
我国的装备技术先后经历了引进、仿制发展、升级换代、自主创新等阶段。新一代装备在研制过程中，所困扰的“卡脖子”问题往往是以材料为代表的基础性问题。
装备技术的发展对基础材料研究提出了新的挑战，MMCs技术是应对这一挑战的可行途径。相比聚合物基复合材料，MMCs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。
MMCs在民用领域同样也迎来了发展机遇期。轨道交通、电动汽车等领域的轻量化技术需求，MMCs在某些部件上已经成为唯一的替代材料。随着智能制造的兴起，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MMCs可以满足其需求。
国内材料设计技术趋于成熟，军民两用装备升级换代的需求凸显。在此背景下，以往大多面向国防应用的MMCs有望快速转化并进入民用装备市场，MMCs产业新的发展战略机遇期正在到来。
二、我国MMCs发展与应用情况
（一）艰难起步阶段
1980—1999年为MMCs的起步阶段，受限于薄弱的研究基础，过程较为艰难。1984年，哈尔滨工业大学从日本引进了压力浸渗技术，试制出SiCw /Al样品。MMCs制备工艺复杂，成品率很低、性能离散度很大，材料制备技术是制约其发展的第一障碍。
（二）工程验证阶段
2000—2010年，我国突破了大气环境下压力浸渗、真空无压浸渗等材料制备技术，MMCs开始在航天、航空装备上进行小范围应用。
（三）普及与快速发展阶段
2010年以后，我国MMCs进入普及应用与快速发展阶段，在电子封装领域、航天装备领域的应用规模逐步扩大，出现了若干MMCs高新技术企业，形成了小批量生产配套的能力。
图1 我国在研的MMCs制备方法
1. 原位自生法
原位自生法（in-situ synthesis）是指通过金属盐与液态金属的高温化学反应原位生成特定陶瓷增强体的制备方法，基体金属常见的有铝合金、镁合金、钛合金以及钢铁合金等。
原位自生法的优点在于陶瓷相与基体合金界面结合好，增强相尺寸可以控制到纳米级别，在提高基体合金强度的同时塑性损失不大。
制备的MMCs可以后期轧制成型，或重熔铸造成型，增强体的体积分数较低，通常在10%以下时可获得较好的性价比，民用市场潜力很大。
2. 搅拌铸造法
搅拌铸造法（stirring casting）是将颗粒状的陶瓷增强体加入到熔融态或者半熔融态的金属中，然后借助机械搅拌或超声搅拌使增强体颗粒均匀分散并随后凝固成型的方法。
为保证金属熔体的流动性，增强体体积分数一般不超过20%。搅拌铸造工艺装备简单，成本低，可制备大体量复合材料胚体，并且可以重熔铸造成型.
3. 粉末冶金法
粉末冶金法（powder metallurgy）是将粉末状的增强体与粉末状的金属基体按照一定比例混合，先在模具中冷压成型，然后真空除气，再热压烧结成型的方法，这是目前国内外普及程度最高的技术。
为了保证复合材料组织中基体的连续性，目前批量化应用的复合材料体积分数通常在20%左右。制备材料经过后期的真空热等静压、轧制以及热挤压成型，可以获得较高的力学性能
4. 压力浸渗法
作为液态法制备技术，压力浸渗法（pressureinfiltration）又称挤压铸造法，将液态金属通过外界压力强行突破表面张力浸渗到增强体预制件中，随后凝固成型获得MMCs。
压力浸渗法的优势在于适用于纤维、晶须、粉末、纳米颗粒等各类增强体，适用于各类基体合金，可获得较好的界面强度，材料可设计性强。通常颗粒增强复合材料的体积分数在 40%~70%。
三、未来5~10年MMCs发展趋势
（一）纳米增强体和专用基体合金的运用
不同于微米级增强体，纳米增强体颗粒的表面效应、尺寸效应以及原子扩散行为会对MMCs强化行为带来新的表现，催生新的理论与技术。
石墨烯作为纳米碳材料的典型代表，是目前各类纳米增强体中具有最高强度、刚度、导热、导电和低膨胀等特性的增强体。石墨烯与铝的界面反应以及石墨烯均匀分散是当前的主要技术障碍。
利用大数据技术、仿真模拟技术，以及开发新型制备工艺，重新设计新的专用基体合金成分，有望在二维方向上获得强度、塑性、导热、导电、阻尼等的优越性能，获得不同用途的石墨烯增强MMCs。
（二）MMCs性能设计理论与技术成熟化
未来的MMCs技术将根据零件使役性能分析的结果，从材料纳观、微观、介观以及宏观尺度进行设计，获得预期性能。
1. 尺寸稳定性设计
国内相关单位建立了MMCs尺寸稳定性设计理论与方法，能够综合地满足各项指标要求。
专门面向精密仪表服役条件设计的仪表级SiC/Al复合材料，克服了铝合金、钛合金、铍材等的性能缺陷，成为“指哪打哪”材料设计理念的范例。
2. 仿生设计
物竞天择，经历了亿万年进化而生存下来的生物具有最合理的微观组织和宏观结构。从微观结构与形态层面上进行仿生设计，这是MMCs性能与功能设计的创新思路之一，发展较快的有层状结构、网状结构、微孔结构、梯度结构等。
图2 梯度结构MMCs与粗晶、纳米晶材料的强韧性匹配关系
3. 晶界强韧化设计
国内优势技术机构为解决粉末冶金钛合金晶界强度问题，提出了三维立体网状微观结构的钛合金设计方法，制备材料在室温下的拉伸强度提升超过30%，耐热上限提升200 ℃。
（三）新型复合材料制备技术
制备技术是MMCs实用化的基础，也是成本链的关键环节，发展方向是低成本、高效能、低消耗。
MMCs属于难加工材料，在空间光学结构的零件制造方面，传统机械加工方法的加工去除量超过90%。增材制造为高效率地生产中小批量、几何形状复杂的MMCs零件提供了可行的技术途径，但界面反应、材料缺陷控制等问题将是技术挑战。
（四）超常性能MMCs
“超常性能”材料指的是关键性能指标超越传统材料极限的材料。根据国内外研究现状预判，具备超常性能的MMCs会大量涌现。
未来基于基因工程理念，建立起金属的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物以及碳材料等增强体的物理性能、化学性能、晶体结构、表面能等数据库，据此精细设计和制备出超常性能的MMCs，将是更高技术层面的发展方向。
四、MMCs产业的发展建议
（1）夯实国家级产业化平台、工程实验室以及人才培养基地。国内高校与技术力量雄厚的用户（企业）合作建立跨学科的研发平台，并在产品设计/特种加工/力学/材料学、惯性技术/力学/精密加工/材料学等复合方向优先布局。
（2）加大保障与投入，尽快增强我国MMCs产业体系实力。针对代表性强、价值重大、复合材料技术相对成熟的产品，支持企业牵头、用户主导的联合研发团队模式。开展国家级MMCs产业化技术攻关，利用5~10年时间，集中力量攻克MMCs批量生产和应用这一瓶颈问题。
（3）加快MMCs相关的标准和数据库体系建设。优先支持国家实验室、国家地方联合工程实验室牵头，研究和建立国家标准和行业标准体系，构建MMCs各类细分材料的基础性、通用性数据库。
（4）材料制备技术是MMCs产业的核心竞争力。鉴于突破MMCs制备技术的过程费时费力，且高风险、慢节奏，应制定积极正确的政策导向，鼓励专家学者和工程技术人员潜心研究工艺基础问题、装备技术基础问题、具有交叉性的基础问题。
