中国金属复合材料发展概况

1、金属复合材料定义、分类

金属复合材料一般由两种或多种不同性质的金属或金属与非金属通过物理、化学或机械方法复合而成的一类新型材料。金属复合材料通过各组分材料间的协同效应，发挥各组分材料的优点，使材料呈现出优异的综合性能，从而满足特定场景的性能需求。金属复合材料根据其结构特点，可以分为金属基复合材料和层状金属复合材料。金属基复合材料根据增强体的形态分为连续增强金属基复合材料和非连续增强金属基复合材料。连续增强金属基复合材料以连续纤维作为增强体，例如碳纤维增强金属基复合材料，连续增强金属基复合材料充分发挥了增强材料的性能，显著提升金属基体材料的强度和刚度；非连续增强金属基复合材料包括颗粒增强和短纤维增强及晶须增强金属基复合材料，颗粒增强通过弥散分布的颗粒提高材料性能，短纤维增强则凭借短纤维改善材料的综合性能。层状金属复合材料是通过爆炸复合、轧制复合或其他制备技术实现多类型基层金属的复合，产品表现出复合效益。

图1 金属复合材料分类示意图

2、金属基复合材料定义、分类、市场规模

2.1 金属基复合材料的定义和分类

金属基复合材料（MMCs）是一类通过复合工艺将增强相（包括纤维、晶须、颗粒等）均匀分散于金属或合金基体中制备而成的先进工程材料。金属基复合材料是以金属材料为连续基体，与增强体有明显界面的人工材料，兼具金属基体的高韧性与增强相的高强度特性，呈现出一系列优异性能：包括高比强度（＞200 MPa・cm³・g⁻¹）、高比模量、耐高温（300-1200℃）、耐磨损、导电导热性能优异、低热膨胀系数、尺寸稳定性好、抗疲劳（疲劳寿命数倍于金属）及断裂韧性提升等综合优势，同时具备抗吸湿、无辐射污染等环境友好特性。

根据材料设计原理与工程应用需求，复合材料可以通过优化基体和增强相的组合，设计出需要的材料性能，满足不同应用领域的需求。金属基复合材料的分类体系可从多个维度进行科学划分：按增强体可分为纤维增强（含连续纤维与短纤维/晶须）和颗粒增强，分别赋予材料高强度、耐磨或多功能特性；按基体金属则包括铝基（轻量化）、镁基（超轻高比强）、钛基（耐高温抗腐蚀）等体系；此外还可根据用途（结构/功能）或工艺（固态/液态/原位生成）进一步细分。这种多维度分类体系充分体现了材料科学与工程领域 "成分-工艺-结构-性能" 的内在联系，为航空航天（减重 20-30%）、汽车制造（发动机部件寿命延长 50%）、电子封装（热膨胀系数匹配性提升）及高端装备等领域的技术创新提供了重要物质基础。金属基复合材料以其优异的综合性能，在航空航天、汽车、电子、工业等领域有着广泛的应用前景。

2.2 金属基复合材料的市场规模

近年来，中国的金属复合材料产业持续展现出稳健的增长态势，引起了行业内外的高度关注，2024年市场规模达到了110.5亿元人民币。经过分析与预测，2025年中国金属复合材料市场的总值有望突破475亿元人民币大关。2020年至2027年，该行业的年均复合增长率（CAGR）预计高达13.9%，高于复合材料的整体增长水平，充分展示了金属复合材料产业在中国市场上的巨大潜力和发展前景。其高速增长的动力源于以下两个方面：一方面，国家对新材料产业的高度重视，出台了诸如《中国制造2025》、《新材料产业发展指南》等政策，为金属基复合材料行业创造了有利的政策环境，有效促进了行业的发展。另一方面，航空航天、武器装备、军工电子、新一代信息通信、新能源汽车、消费电子等战略新兴产业的快速发展，对金属基复合材料的需求不断增长；随着航空航天、新能源汽车等高端应用领域需求的持续强劲，我们有充分的理由相信，中国金属基复合材料行业在未来几年增长速度有望进一步加快，行业将迎来发展机遇期。

图2 中国金属复合材料和金属基复合材料市场规模

（资料来源：公开信息、中国复合材料工业协会）

3、层状金属复合材料定义、分类、市场规模

3.1层状金属复合材料的定义和分类

层状金属复合材料，是通过将两种或两种以上的金属或合金以层状结构进行有序组合而形成的一类先进复合材料。各金属层之间通过物理或化学作用紧密结合，在复合界面生成一定厚度的原子扩散层，构成一类综合性能超越单层金属的新型材料。这类材料通过整合不同金属、充分发挥“取长补短”的独特优势，实现了低密度、高强度、高韧性、耐腐蚀、耐高温以及优良的导电、导热等两种或多种功能的协同效应。因此，在航空航天、电力电子、汽车制造、建筑工程等多个领域，层状金属复合材料得到了广泛的应用。

表1  层状金属复合材料分类

3.2 层状金属复合材料的市场规模

中国层状金属复合材料行业2020年市场规模为194.3亿元，受益于新能源、航空航天和消费电子等领域需求爆发，2024年快速增至310亿元（CAGR达12.4%）。展望后市，预计2027年将达398亿元，受原材料价格波动（2024年同比上涨10%）和碳纤维替代（航空航天领域渗透率已达30%）等挑战影响，增速将放缓至8.7%。若新能源政策持续加码，2027年市场规模有望突破420亿元，但需警惕全球经济下行对基建投资的潜在影响。

图3 中国层状金属复合材料市场规模

（资料来源：公开信息、中国复合材料工业协会）

4、金属复合材料下游应用领域市场规模

4.1 航空航天

金属基复合材料（MMCs）在高比强度、高比刚度及耐高温性能的独特性能使其在航空航天领域展得到广泛应用，尤其卓越的耐热性和抗疲劳性能被用于发动机涡轮叶片、压气机叶片的制造。金属基复合材料生产的机身框架、翼梁、动环等结构件在保持结构完整性和强度的同时，显著减轻了整体重量。用于热管理系统，如热交换器、散热片等功能部件中将提设备的高热效率和可靠性。

图4 波音787机身；F-35战斗机发动机部件

美国已组织多个以军事应用为目标的复合材料研究项目，致力于开发铝基复合材料在航空、航天器件上的应用。这些研究取得了显著成果，铝基复合材料被用于制造哈勃太空望远镜的天线导波导杆、F-16战斗机机腹尾翼和进油门、发动机部件等关键零部件。利用颗粒增强铝基复合材料制作的导弹控制尾翼、发射管、三角架等零件，充分发挥了高刚度的特性，提升了装备的稳定性；SiCp/A356或A357复合材料被用于制造飞机液压管、直升飞机支架和阀体；25%SiCp/2099复合材料则用于制造火箭发动机的其它零部件。美国DWA公司采用SiC颗粒增强6092铝基复合材料替代铝合金，大规模应用于F-16战斗机的垂直尾翼，寿命提升17倍。Eurocopter公司广泛采用SiCp/Al复合材料生产EC-120和N4直升机旋翼系统的一级关键零件，替代原钛合金材料，实现减重30%以上。此外，AIcan公司利用SiCp/Al复合材料成功制造出导弹壳体、轻型坦克的履带板、雷达天线、飞机常平环等军事用品。在国内，金属基复合材料的应用也日益广泛，采用SiC颗粒增强铝基复合材料，成功制造了导弹、卫星、兵器上的多种关键受力结构件或功能件，应用取得重大进展，部分制品如图所示，这些制品具有高比强度、高比刚度、高耐磨的性能特点。同时，还制备了精密光学仪器用主镜筒、反射镜、装星底板等部件，具备尺寸稳定、热变形小、热膨胀系数低的优势。北京航空材料研究所等研究单位也成功制造出多种宇航用铝基复合材料零件样品。

图5 国内部分SiCp/AL复合材料实用构件

随着航空航天技术的不断进步，对材料性能的要求变得越来越严格和复杂，温度耐受性、比强度比刚度更高，对抗疲劳和抗冲击的综合性能要求更高。轻量化也是关键趋势，以减少飞行器重量，降低燃料消耗，提高飞行效率。如图8所示，飞行器每减重1kg的经济效益高达约10万美元（航天载具每公斤发射成本约5万美元），当代技术的进步已显著降低，以SpaceX猎鹰9号为例，每公斤发射成本已降至2,720美元，而猎鹰重型火箭更低至1,410美元/kg，减重效益相应降低。此外，航空航天材料正向着智能化发展，集成自修复和自监测功能，以提高飞行器的整体可靠性和安全性。

图6 飞行器减重1kg所取得的经济效益与飞行速率关系

4.2 新能源汽车

针对汽车工业轻量化的发展趋势，铝基复合材料在某些领域逐渐替代了铝合金、钢、陶瓷等传统汽车材料，广泛应用于汽车关键零部件，尤其是高速运动部件。这种材料在减轻重量、减少运动惯性、降低油耗、改善排放以及提升汽车综合性能等方面发挥着积极作用，正受到越来越多方面的关注。

日本、美国等发达国家纷纷投入巨额资金，积极展开铝基复合材料及其在汽车领域应用的研究，并已取得显著成效。美国FORD公司采用20%SiCp/A356成功研制出制动盘产品，批量应用于高级轿车的后轮；Lotus公司将铝基复合材料应用于Elise的前后轮制动盘；Lanxide公司生产的颗粒增强铝基复合材料汽车制动盘已投入生产。此外，德国采用非连续增强铝基复合材料制造发动机缸套，实现减重3-4.5 kg，较传统铸铁缸套减轻约15%-35%；铝基复合材料导热率121-180 W/(m·K)，较铸铁（约 50 W/(m·K)）提升 1.4-2.6倍，加速缸体散热，降低局部热点温度。铝基复合材料热膨胀系数 17-19×10⁻⁶/℃，与活塞铝合金（约20×10⁻⁶/℃）匹配度更高，降低配缸间隙至0.02-0.05 mm，减少噪音和摩擦损失；激光珩磨或碳化硅颗粒增强层使缸套表面硬度达 HV 160-200，较铸铁提升 20%-30%，摩擦系数降低 5%-15%，高硅铝合金中硬质Si相均匀分布，减少活塞环磨损，润滑油消耗降低 30%，延长维护周期。复合材料缸套成本较铸铁高 20%-30%，但全生命周期燃油经济性提升 8%-12%，碳减排量达 6.7 g/km。戴姆勒-奔驰在 V6发动机 中应用该技术，实现单机减重 18-22 kg，功率密度提升 10%，同时缸套寿命延长至 30万公里（较铸铁提升 2倍）；丰田已批量使用铝基复合材料于轿车发动机缸套，最强V6发动机V35A-FTS上采用一种称为"Laser Clad" 或 "Spray Bore" 技术 ，即在铝合金气缸体内通过激光熔覆或热喷涂方式形成一层极薄的耐磨金属层，从而省去传统铸铁缸套，实现减重与提升热效率的目的，心脏热效率接近38%。采用15%SiCp/2080Al复合材料制造的连杆具备低热膨胀、高弹性模量、耐磨等特性，在150~180 ℃下具有高疲劳抗力，疲劳强度近170 MPa。

图7 制动盘、汽车热交换系统、轨道交通、新能源电池冷却器

（图片来源：湖南湘投金天铝业、银邦股份）

2024年，我国新能源汽车产销量分别达到1288.8万辆和1286.6万辆，同比增长34.4%和35.5%，占汽车总销量的40.9%，纯电动汽车销量占比60%。全国机动车保有量达4.53亿辆，汽车占77.9%，新能源汽车保有量3140万辆，占汽车总量的8.90%，其中纯电动汽车占70.34%。新能源汽车市场的增长推动了金属基复合材料的需求，促进了相关技术进步和产业升级。

图8新能源汽车产销量及保有量

（资料来源：中国汽车工业协会、公安部）

综上所述，新能源汽车的快速发展从技术性能、基础设施建设、政策支持和市场前景等多个方面对金属基复合材料的需求产生了显著推动作用，并且随着新能源汽车行业的不断发展，这种推动作用还将持续增强，为金属基复合材料的应用和发展带来广阔前景。

4.3电子信息

4.3.1 5G 通信与散热解决方案

随着 5G 通信技术的普及，电子器件的功率密度呈指数级增长，对散热材料提出了严峻挑战。国内企业开发的高导热石墨铝复合材料通过石墨烯与铝基体的界面优化，成功将热导率提升至 600 W/(m・K)，较纯铝提高2倍以上。该材料已规模化应用于 5G 基站散热模块，在- 40℃至 + 85℃温度范围内实现稳定热扩散，保障了基站 24 小时连续运行的可靠性。

表2 高导热石墨铝复合材料与传统材料的性能对比

（资料来源：中国复合材料工业协会整理）

图9 国内企业开发的高导热石墨铝复合材料零件

硅铝复合材料（如 50% Si/Al）因其与陶瓷基板匹配的热膨胀系数（CTE≈11 ppm/℃），成为微波器件封装的理想选择。采用该材料制备的 Ku 波段滤波器，在 500 次温度循环后仍保持信号插损≤0.5 dB，显著优于传统金属封装方案。

4.3.2消费电子轻量化

随着消费电子产品趋向轻薄化，金属复合材料的应用日益广泛。通过搅拌摩擦焊技术和热等静压技术生产的钛铝双金属层状复合材料一体化手机中框已广泛应用于高端手机，在保持钛合金高强度、高刚度、高耐磨性能基础上，通过复合铝合金实现了大幅度减轻重量。此外，采用碳化硅铝金属基复合材料（业内称为金刚铝）箔材做成的支撑板、电池仓、风扇壳体、键盘支架等结构件，首次实现在高端手机、笔记本电脑、智能手表等关键零部件上的规模化应用，进一步解决了消费电子产品的轻量化需求。

图10 2013-2024年中国智能手机出货量

（资料来源：Wind）

4.3.3半导体制造关键材料

第三代半导体器件的发展对衬底材料提出更高要求。东尼电子通过化学气相沉积（CVD）技术突破碳化硅单晶生长瓶颈，制备的 6 英寸 SiC 衬底缺陷密度 < 100 cm⁻²，成功通过台积电认证，用于 28 nm 以下芯片制造。此外，SiC/Al 复合托盘在晶圆传输过程中可将振动幅度降低 40%，显著提升半导体制造良率。

图11 高硅铝电子封装产品

（资料来源：天津百恩威官网）

5、金属复合材料行业未来发展趋势

技术领域，智能化与性能突破成为核心驱动力。制备技术方面，增材制造等工艺渗透率不断攀升，但界面反应和孔隙率控制等难题亟待攻克。纳米复合材料抗拉强度在 2024 年实验室数据中突破 1.5GPa，2027 年有望实现商业化（博览会官方新闻稿）；热膨胀系数极低的功能化材料已应用于航天光学系统。数字化赋能同样显著，智能工厂借助 MES 系统使良品率提升 15%，AI 材料设计将研发周期从 5 年大幅缩短至 18 个月（MIT 2025研究）。

市场需求正呈现新兴领域崛起与绿色转型的特点，例如5G/6G、新能源、生物医疗等领域需求旺盛，具体案例包括通信基站采用铝碳化硅复合材料进行散热，新能源汽车电池包使用钛铝复合防护层，以及骨科植入物中应用镁基复合材料。此外，定制化趋势亦日益增强。企业需具备强大的研发和生产能力，以满足客户在金属复合材料性能、规格、形状等方面的个性化需求。同时，环保标准日趋严格，例如欧盟要求2027年复合材料回收率须达到90%，这促使企业在生产过程中注重节能减排，并确保产品具有良好的可回收性和环境友好性。金属基复合材料行业面临技术创新压力，部分关键技术依赖进口，国际贸易环境复杂，资源环境约束及原材料价格波动影响生产成本和稳定性。国内企业正积极应对挑战，加大技术研发投入，优化产品结构，提升附加值，拓展国内市场，并考虑海外投资并购，强化资源管理，优化采购策略，提高资源利用效率，降低成本，同时加大环保投入，采用清洁生产技术，以实现可持续发展。