金屬基複合材料（MMCs）是指採用人工方法，將不同尺寸、不同形態（包括纖維、晶須、顆粒、納米顆粒等）的無機非金屬（或金屬）增強體添加到金屬基體中製成的新型材料，可以發揮出增強體和基體各自的性能優勢，獲得“合金”材料所不具備的特殊性能。
一代裝備，一代材料。新一代裝備技術的提升，對基礎材料的性能要求愈加苛刻。在傳統金屬材料不能滿足要求的狀況下，MMCs已經成為不可替代的戰略性新材料。
一、MMCs產業戰略機遇期研判
我國的裝備技術先後經歷了引進、仿製發展、升級換代、自主創新等階段。新一代裝備在研製過程中，所困擾的“卡脖子”問題往往是以材料為代表的基礎性問題。
裝備技術的發展對基礎材料研究提出了新的挑戰，MMCs技術是應對這一挑戰的可行途徑。相比聚合物基複合材料，MMCs用量不多，產業化規模不大，但又是決定裝備精度、效能、壽命、可靠性等指標能否實現的關鍵因素，具有不可替代、不可或缺的作用，進而成為國家材料技術水平的重要標誌。
MMCs在民用領域同樣也迎來了發展機遇期。軌道交通、電動汽車等領域的輕量化技術需求，MMCs在某些部件上已經成為唯一的替代材料。隨著智能製造的興起，高速往復運動部件要求具有低密度、高耐磨、高剛度、低成本等特性，而僅有MMCs可以滿足其需求。
國內材料設計技術趨於成熟，軍民兩用裝備升級換代的需求凸顯。在此背景下，以往大多面向國防應用的MMCs有望快速轉化並進入民用裝備市場，MMCs產業新的發展戰略機遇期正在到來。
二、我國MMCs發展與應用情況
（一）艱難起步階段
1980—1999年為MMCs的起步階段，受限於薄弱的研究基礎，過程較為艱難。1984年，哈爾濱工業大學從日本引進了壓力浸滲技術，試製出SiCw /Al樣品。MMCs製備工藝複雜，成品率很低、性能離散度很大，材料製備技術是制約其發展的第一障礙。
（二）工程驗證階段
2000—2010年，我國突破了大氣環境下壓力浸滲、真空無壓浸滲等材料製備技術，MMCs開始在航天、航空裝備上進行小範圍應用。
（三）普及與快速發展階段
2010年以後，我國MMCs進入普及應用與快速發展階段，在電子封裝領域、航天裝備領域的應用規模逐步擴大，出現了若干MMCs高新技術企業，形成了小批量生產配套的能力。
圖1 我國在研的MMCs製備方法
1. 原位自生法
原位自生法（in-situ synthesis）是指通過金屬鹽與液態金屬的高溫化學反應原位生成特定陶瓷增強體的製備方法，基體金屬常見的有鋁合金、鎂合金、鈦合金以及鋼鐵合金等。
原位自生法的優點在於陶瓷相與基體合金界面結合好，增強相尺寸可以控制到納米級別，在提高基體合金強度的同時塑性損失不大。
製備的MMCs可以後期軋製成型，或重熔鑄造成型，增強體的體積分數較低，通常在10%以下時可獲得較好的性價比，民用市場潛力很大。
2. 攪拌鑄造法
攪拌鑄造法（stirring casting）是將顆粒狀的陶瓷增強體加入到熔融態或者半熔融態的金屬中，然後藉助機械攪拌或超聲攪拌使增強體顆粒均勻分散並隨後凝固成型的方法。
為保證金屬熔體的流動性，增強體體積分數一般不超過20%。攪拌鑄造工藝裝備簡單，成本低，可製備大體量複合材料胚體，並且可以重熔鑄造成型.
3. 粉末冶金法
粉末冶金法（powder metallurgy）是將粉末狀的增強體與粉末狀的金屬基體按照一定比例混合，先在模具中冷壓成型，然後真空除氣，再熱壓燒結成型的方法，這是目前國內外普及程度最高的技術。
為了保證複合材料組織中基體的連續性，目前批量化應用的複合材料體積分數通常在20%左右。製備材料經過後期的真空熱等靜壓、軋製以及熱擠壓成型，可以獲得較高的力學性能
4. 壓力浸滲法
作為液態法制備技術，壓力浸滲法（pressureinfiltration）又稱擠壓鑄造法，將液態金屬通過外界壓力強行突破錶面張力浸滲到增強體預製件中，隨後凝固成型獲得MMCs。
壓力浸滲法的優勢在於適用於纖維、晶須、粉末、納米顆粒等各類增強體，適用於各類基體合金，可獲得較好的界面強度，材料可設計性強。通常顆粒增強複合材料的體積分數在 40%~70%。
三、未來5~10年MMCs發展趨勢
（一）納米增強體和專用基體合金的運用
不同於微米級增強體，納米增強體顆粒的表面效應、尺寸效應以及原子擴散行為會對MMCs強化行為帶來新的表現，催生新的理論與技術。
石墨烯作為納米碳材料的典型代表，是目前各類納米增強體中具有最高強度、剛度、導熱、導電和低膨脹等特性的增強體。石墨烯與鋁的界面反應以及石墨烯均勻分散是當前的主要技術障礙。
利用大數據技術、仿真模擬技術，以及開發新型製備工藝，重新設計新的專用基體合金成分，有望在二維方向上獲得強度、塑性、導熱、導電、阻尼等的優越性能，獲得不同用途的石墨烯增強MMCs。
（二）MMCs性能設計理論與技術成熟化
未來的MMCs技術將根據零件使役性能分析的結果，從材料納觀、微觀、介觀以及宏觀尺度進行設計，獲得預期性能。
1. 尺寸穩定性設計
國內相關單位建立了MMCs尺寸穩定性設計理論與方法，能夠綜合地滿足各項指標要求。
專門面向精密儀表服役條件設計的儀表級SiC/Al複合材料，克服了鋁合金、鈦合金、鈹材等的性能缺陷，成為“指哪打哪”材料設計理念的範例。
2. 仿生設計
物競天擇，經歷了億萬年進化而生存下來的生物具有最合理的微觀組織和宏觀結構。從微觀結構與形態層面上進行仿生設計，這是MMCs性能與功能設計的創新思路之一，發展較快的有層狀結構、網狀結構、微孔結構、梯度結構等。
圖2 梯度結構MMCs與粗晶、納米晶材料的強韌性匹配關係
3. 晶界強韌化設計
國內優勢技術機構為解決粉末冶金鈦合金晶界強度問題，提出了三維立體網狀微觀結構的鈦合金設計方法，製備材料在室溫下的拉伸強度提升超過30%，耐熱上限提升200 ℃。
（三）新型複合材料製備技術
製備技術是MMCs實用化的基礎，也是成本鏈的關鍵環節，發展方向是低成本、高效能、低消耗。
MMCs屬於難加工材料，在空間光學結構的零件製造方面，傳統機械加工方法的加工去除量超過90%。增材製造為高效率地生產中小批量、幾何形狀複雜的MMCs零件提供了可行的技術途徑，但界面反應、材料缺陷控制等問題將是技術挑戰。
（四）超常性能MMCs
“超常性能”材料指的是關鍵性能指標超越傳統材料極限的材料。根據國內外研究現狀預判，具備超常性能的MMCs會大量湧現。
未來基於基因工程理念，建立起金屬的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物以及碳材料等增強體的物理性能、化學性能、晶體結構、表面能等數據庫，據此精細設計和製備出超常性能的MMCs，將是更高技術層面的發展方向。
四、MMCs產業的發展建議
（1）夯實國家級產業化平臺、工程實驗室以及人才培養基地。國內高校與技術力量雄厚的用戶（企業）合作建立跨學科的研發平臺，並在產品設計/特種加工/力學/材料學、慣性技術/力學/精密加工/材料學等複合方向優先佈局。
（2）加大保障與投入，儘快增強我國MMCs產業體系實力。針對代表性強、價值重大、複合材料技術相對成熟的產品，支持企業牽頭、用戶主導的聯合研發團隊模式。開展國家級MMCs產業化技術攻關，利用5~10年時間，集中力量攻克MMCs批量生產和應用這一瓶頸問題。
（3）加快MMCs相關的標準和數據庫體系建設。優先支持國家實驗室、國家地方聯合工程實驗室牽頭，研究和建立國家標準和行業標準體系，構建MMCs各類細分材料的基礎性、通用性數據庫。
（4）材料製備技術是MMCs產業的核心競爭力。鑑於突破MMCs製備技術的過程費時費力，且高風險、慢節奏，應制定積極正確的政策導向，鼓勵專家學者和工程技術人員潛心研究工藝基礎問題、裝備技術基礎問題、具有交叉性的基礎問題。
