金属学报(中文版)  2019 , 55 (1): 0-1

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马宗义

版权声明:  2019 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

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金属基复合材料(metal matrix composites,MMCs)是复合材料家族的重要分支,由金属和其它不同性质的异质材料复合而成,各组元发挥各自优势,产生协同效应,使综合性能显著提升,包括高的强度和模量,低的密度和热膨胀系数,优异的耐磨损、耐疲劳、耐蠕变性能,良好的导热和尺寸稳定性等。过去半世纪,MMCs在体系设计、制备技术、加工工艺等研究领域不断突破创新,成果丰硕,在航天、航空、电子、核电与地面交通等领域的应用日益广泛,成为传统金属材料以外的重要材料体系。目前,MMCs的工业化生产已成为我国战略性新兴产业。

在2020年到2035年创新型国家建设的五大战略中,航天强国、交通强国、科技强国与复合材料密切相关。随着装备制造技术的发展,对MMCs的性能提出了更高要求,包括力学与热物理性能、服役寿命等。然而,MMCs固有的低塑性严重束缚未来的应用,其规模化应用也面临着成本高、产能低等挑战。针对这些问题,近年来在国家973计划、国家重点研发计划以及国家自然科学基金等项目资助下,MMCs研究从过去的跟踪模仿,逐渐走向自主发展、创新引领的道路,主要表现在以下四个方面。

首先是复合材料设计向构型化发展。长期以来,组织和结构组元融合设计,一直是发掘MMCs潜力的有效手段。以梯度、仿生结构为代表的有序化结构设计,为MMCs结构和组织融合提供了新的设计思路。近年来的研究发现,有序化、非均质结构中的局部应力和应变状态对MMCs性能影响显著,合理的构型设计可赋予MMCs更高强度与塑性。相比传统的均质组织和结构设计理念,多尺度增强、多级结构正成为新一代MMCs的发展趋势。通过精细结构设计(仿生微叠层、网状、分级、梯度结构等),可获得均匀分布复合材料所不具有的超高强度与良好塑性。此外,碳纳米管、石墨烯等超高性能增强材料的出现,也为实现MMCs的性能超越带来新的契机。

其次是界面研究向原子尺度发展。作为复合材料的主要特征结构,界面是增强作用得以发挥的核心。对界面细观耦合作用的理解,是先进复合材料设计的关键。从原子尺度表征界面对性能的影响,比单纯研究微观界面反应物、界面晶体取向等因素对性能的影响更可靠,从而能更有效指导界面优化设计。随着球差校正电镜技术发展,可获得更精确的原子级别的界面精细结构信息,结合分子动力学与第一性原理研究,可望建立有效的界面调控途径以提高载荷传递能力、降低界面热阻等,从而获得更优的力学与物理性能。

再次是研发模式的革新。过去MMCs的研发以单因素工艺探索为主,未来将向基于材料基因工程思想的高通量研发模式转换。对种类各异的增强体与基体合金,通过集成计算、高通量样品制备与表征,建立起复合材料体系设计所需的性能数据库,从而构建最优化体系,突破现有复合体系的性能极限。此外,高通量表征与模拟仿真技术为加快研发也提供了有效手段。MMCs性能影响因素繁多,实验试错和个案攻关研制周期长、成本高、适用性差。在集成计算技术和高通量表征技术发展的推动下,通过精确把握性能影响因素,以及制备加工全流程的数字化控制,可对性能进行理性优化和精确调控,从而实现复合材料性能的跨越式提高。

最后是低成本制备加工技术的革新。主要包括发展工程化制备技术,提高成品率;发展制备与成型一体化技术、精密成形加工与高质量焊接技术,提高材料利用率;发展高性能易加工的新型复合材料体系,降低加工难度。

筚路褴褛,薪火相传,我国MMCs经过30多年的自主发展,在制备、成型加工、组织性能的评价表征等方面取得大量的高水平科研成果,在国际相关领域的影响力与日俱增,尤其是为我国高技术工程装备的创新发展提供了重要支持。适逢“科学的春天”四十周年之际,《金属学报》筹办以MMCs为主题的专刊,聚集了国内在相关领域中做出突出研究工作的10所大学和研究机构的9篇综述和5篇研究论文,介绍了MMCs的最新研究进展与未来展望,以飨读者,并以此为念。期望本次专刊的出版对我国MMCs的快速发展产生积极的推动作用。

中国科学院金属研究所研究员

The authors have declared that no competing interests exist.


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