金屬材料具備優(yōu)異的機(jī)械性能、輕量化、耐腐蝕、磁屏蔽、可循環(huán)等功能特性。隨著全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展正朝著環(huán)境可持續(xù)、5G通信發(fā)展、航天科技等方向推進(jìn)，以新能源汽車為例，其結(jié)構(gòu)件需同時(shí)具備輕量化、高強(qiáng)度及減震特性，以實(shí)現(xiàn)減輕車身重量、提升安全性、延長(zhǎng)續(xù)航里程以及大功率快速充放電等效果。

本文收集整理了國內(nèi)外先進(jìn)金屬材料的發(fā)展需求及應(yīng)用趨勢(shì)，助力產(chǎn)學(xué)研相關(guān)研發(fā)人員快速明確新材料研究方向，精準(zhǔn)把握未來新興產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展需求。

一、前言

隨著全球變暖引發(fā)日益嚴(yán)重的極端氣候——例如強(qiáng)度不斷升級(jí)的臺(tái)風(fēng)/颶風(fēng)、愈發(fā)頻繁的干旱與野火、強(qiáng)度加劇的強(qiáng)降雨，以及南北極升溫導(dǎo)致極地渦旋穩(wěn)定性下降引發(fā)的暴風(fēng)雪等，國際社會(huì)的環(huán)保意識(shí)逐步覺醒，普遍呼吁產(chǎn)業(yè)發(fā)展需加速布局綠能領(lǐng)域，減少溫室氣體排放并推進(jìn)節(jié)能降耗，推動(dòng)各國實(shí)現(xiàn)2030 年減碳50%、2050年達(dá)成碳中和的目標(biāo)。可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心考量議題，而輕量化則是金屬產(chǎn)業(yè)現(xiàn)階段的主要發(fā)展方向。

另一方面，全球正面臨制造業(yè)區(qū)域化、碳中和推進(jìn)、大規(guī)模傳染病等多重因素影響，引發(fā)供應(yīng)鏈中斷、原材料價(jià)格上漲、信息通信產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展、防疫抗菌需求凸顯、太空相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速興起等一系列變化，顯著推動(dòng)了功能性金屬材料的開發(fā)需求。

全球減碳政策推動(dòng)車輛產(chǎn)業(yè)向低耗能、低排放、低污染方向轉(zhuǎn)型，燃油車禁售政策逐步落地，電動(dòng)化已成為全球車企的核心布局重點(diǎn)。對(duì)于新能源汽車而言，除傳統(tǒng)安全性要求外，節(jié)能減排趨勢(shì)促使高強(qiáng)度、耐碰撞且輕量化的金屬材料需求持續(xù)旺盛。

此外，汽車電動(dòng)化還推動(dòng)材料開發(fā)需求從車體結(jié)構(gòu)延伸至電池殼件、充電樁材料等領(lǐng)域，成為創(chuàng)新應(yīng)用的重要方向；

在通信產(chǎn)業(yè)，遠(yuǎn)程辦公、在線教育等應(yīng)用普及，推動(dòng)5G技術(shù)快速落地，具備電磁屏蔽、高散熱、耐腐蝕特性的金屬基復(fù)合材料成為理想選擇；

在太空產(chǎn)業(yè)，SpaceX提出的星鏈計(jì)劃極具代表性，通過部署低軌道衛(wèi)星構(gòu)建覆蓋全球、不受地形限制的信息通信網(wǎng)絡(luò)，而低軌衛(wèi)星對(duì)材料的輕量化、高強(qiáng)度、高剛性、低熱膨脹系數(shù)要求極高，同時(shí)需適應(yīng)外層空間大范圍溫度循環(huán)與高輻射環(huán)境，因此耐疲勞、抗輻射性能成為材料必備特性；

在海洋科技產(chǎn)業(yè)，無論是國防領(lǐng)域，還是能源領(lǐng)域的風(fēng)電綠能發(fā)展，高強(qiáng)度耐腐蝕金屬材料的開發(fā)均不可或缺；

在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)，抗生素濫用引發(fā)的相關(guān)問題，使得抗菌醫(yī)療材料的開發(fā)需求日益凸顯。

目前，功能性金屬材料的開發(fā)與品類主要包括先進(jìn)鋼材、高強(qiáng)度鋁合金、新型銅合金、有色金屬復(fù)合材料四大類，以下將逐一介紹近年來各品類的創(chuàng)新應(yīng)用趨勢(shì)。

二、先進(jìn)鋼材

鋼材可應(yīng)用于環(huán)境溫度-196℃~650℃、機(jī)械強(qiáng)度100~5000 MPa及耐腐蝕場(chǎng)景，是目前應(yīng)用最廣泛的金屬材料，常見于建筑、車輛、能源、機(jī)床、石化、國防、民生等產(chǎn)業(yè)，屬于國家產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)材料。

根據(jù)ENERGY社群網(wǎng)站報(bào)道，2020年全球鋼產(chǎn)量約為18.64億噸，瑞典將于2024年建成全球最大氫能煉鋼廠，推動(dòng)鋼材向綠色化方向發(fā)展。

先進(jìn)鋼材的開發(fā)以輕量化高強(qiáng)度、適應(yīng)嚴(yán)苛工況、易加工成型、低成本等為目標(biāo)，以下將介紹先進(jìn)高強(qiáng)度鋼及高氮鋼這兩類具有應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Φ匿摬摹?/p>

（一）先進(jìn)高強(qiáng)度鋼

先進(jìn)高強(qiáng)度鋼種類繁多，包括雙相鋼（Dual Phase, DP）、復(fù)相鋼（Complex-Phase, CP）、馬氏體鋼（Martensitic, MS）、相變誘發(fā)塑性鋼（Transformation-Induced Plasticity, TRIP）、熱沖壓鋼（Hot-Formed, HF）、孿生誘發(fā)塑性鋼（Twinning-Induced Plasticity, TWIP）等。

先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的特性對(duì)比及在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用如表1所示。從第一代、第二代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的開發(fā)歷程來看，通過材料成分設(shè)計(jì)與制程溫度條件控制，可精準(zhǔn)調(diào)控鋼材內(nèi)部微觀組織，獲得所需的強(qiáng)度、塑性、韌性及疲勞性能，從而滿足新能源汽車對(duì)薄規(guī)格輕量化、高強(qiáng)度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求—— 在車體碰撞區(qū)提升撞擊能量吸收能力，在乘員艙區(qū)域增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的功能表現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)碳鋼，成功實(shí)現(xiàn)鋼板減薄與安全性兼顧，車體結(jié)構(gòu)減重達(dá) 39%。

目前，全球主流鋼廠正積極投身第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的研發(fā)，目標(biāo)產(chǎn)品需同時(shí)具備拉伸強(qiáng)度超1000 MPa、延展性30%以上、易加工成型等特性。該類鋼材通過特殊合金化與熱機(jī)成形制程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與延展性的優(yōu)化匹配；相較于第一代產(chǎn)品，其通過制程優(yōu)化大幅提升了延展性與成形性，例如中錳鋼經(jīng)奧氏體逆轉(zhuǎn)變回火制程（Austenite Reversion Tempering-annealing, ART-annealing）處理后，可達(dá)到800-1500 MPa的拉伸強(qiáng)度與30-45%的延展性；與第二代產(chǎn)品相比，第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼更強(qiáng)調(diào)減少合金元素用量，以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本、提升連接效率。

為加速材料開發(fā)進(jìn)程，國內(nèi)外產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)已引入集成計(jì)算材料工程（Integrated Computational Materials Engineering, ICME）等數(shù)字化材料設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)階段，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼已成功應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)，未來其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓展至軌道交通、能源、基礎(chǔ)設(shè)施、船舶、航天等產(chǎn)業(yè)。

（二）高氮鋼

高氮鋼材料中氮含量為0.4~1.0 wt%，品類包括低鎳高氮、無鎳高氮不銹鋼及合金鋼，可應(yīng)用于高溫耐磨機(jī)械軸承與襯套、耐高壓低溫容器及耐腐蝕無過敏反應(yīng)醫(yī)用材料等領(lǐng)域。

氮元素能夠提升鋼材的力學(xué)、腐蝕及耐候性能，提高氮含量主要采用高壓冶煉技術(shù)和常壓氮化物添加兩種方式，氮原子可嵌入鐵晶格形成穩(wěn)定的固溶相。

添加鉻、鉬、釩、硅等合金成分，可助力鋼水提升氮含量（如圖1所示）；再通過熱機(jī)處理技術(shù)控制相變，將氮原子固定于鐵晶格內(nèi)，實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化——使位錯(cuò)和晶界難以移動(dòng)，從而提升材料硬度、屈服強(qiáng)度與抗蠕變能力，尤其在耐局部腐蝕、晶間腐蝕、點(diǎn)蝕及間隙腐蝕等耐腐蝕性能上同步提升。通過控制焊接工藝條件與氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛，可改善鋼材的焊接性能并維持接合強(qiáng)度。

由于減少了鎳的添加量，該材料應(yīng)用于生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)時(shí)可解決人體過敏問題；同時(shí)，高氮含量也提升了材料整體力學(xué)性能，突破嚴(yán)苛環(huán)境限制，大幅提高了結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的可靠性。德國研究團(tuán)隊(duì)將 P2000（無鎳高氮奧氏體鋼 X13CrMnMoN18-14-3）這種兼具高強(qiáng)度、高延展性與耐腐蝕性的高氮奧氏體鋼，應(yīng)用于骨科手術(shù)醫(yī)用材料，其性價(jià)比均優(yōu)于傳統(tǒng)316L、Ti6Al4V或CoCrMo醫(yī)用材料。

國內(nèi)已成功開發(fā)出氮含量0.09 wt% 的馬氏體相耐蝕高強(qiáng)度不銹鋼材料，其力學(xué)強(qiáng)度為530~545 MPa，耐腐蝕試驗(yàn)1200小時(shí)以上無銹蝕（SUS420及SUS304 在鹽霧試驗(yàn)600小時(shí)時(shí)均出現(xiàn)銹蝕）。該材料可用于生產(chǎn)一體化建筑用鉆尾螺絲（如圖2所示），螺絲中心硬度（HV）達(dá) 605、外部硬度（HV）達(dá) 642，相比傳統(tǒng)兩截式鉆尾螺絲，省去了焊接、電鍍等生產(chǎn)工序，加工成本降低 20% 以上，不銹鋼扣件使用壽命延長(zhǎng)50%以上，未來可應(yīng)用于太陽能面板在農(nóng)業(yè)附屬設(shè)施的固定等場(chǎng)景。

三、先進(jìn)鋁合金

鋁是地球上含量最豐富的金屬元素，其密度為2.7g/cm3（僅為鋼鐵的 1/3）。鋁具備高強(qiáng)度、耐腐蝕、易加工、無低溫脆性、導(dǎo)熱/導(dǎo)電性能優(yōu)良、反射性強(qiáng)、無磁性、無臭、無毒、不易燃、抗輻射等特性。

據(jù)全球鋁材市場(chǎng)應(yīng)用趨勢(shì)分析，工業(yè)用鋁廣泛應(yīng)用于交通、建筑、包裝等領(lǐng)域（如圖3所示），其中交通和建筑是主要需求領(lǐng)域，各占25%，其次是包裝（17%）和電子（12%）。

全球鋁資源來源包括原生鋁和再生鋁，針對(duì)原生鋁生產(chǎn)及鋁制品循環(huán)再利用，世界各國均朝著低耗能、低碳排放的方向推進(jìn)。

在低耗能方面：生產(chǎn)原生鋁錠所需的能源已從17.5 kwh/kg降至11.5 kwh/kg；而再生鋁錠所需能源僅為原生鋁的5%以下（0.6 kwh/kg）。

在低碳排放方面：力拓（Rio Tinto）推出的全球首款經(jīng)認(rèn)證的低二氧化碳原生鋁產(chǎn)品Renew Al，以及俄鋁推出的低碳鋁品牌ALLOW，均可實(shí)現(xiàn)每生產(chǎn)一噸鋁排放約3噸二氧化碳，遠(yuǎn)低于全球平均水平。

（一）中/高強(qiáng)度鋁合金

中/高強(qiáng)度鋁合金的拉伸強(qiáng)度大于480 MPa，主要包括2系A(chǔ)l-Cu-Mg、5系 Al-Mg、6系A(chǔ)l-Mg-Si及7系A(chǔ)l-Zn合金。

以6系鋁合金為例，該合金屬于熱處理型耐腐蝕材料，經(jīng)二次加工后通過固溶與時(shí)效處理提升強(qiáng)度；Space X 公司開發(fā)的高強(qiáng)度高硬度Al-Mg合金應(yīng)用于先進(jìn)火箭，解決了低軌道衛(wèi)星火箭發(fā)射中使用環(huán)保型高濃度過氧化氫（H?O?）燃料（替代聯(lián)氨（N?H?））時(shí)產(chǎn)生的材料兼容性問題，而6063鋁合金對(duì)過氧化氫兼容性高且耐高壓，可用于新型燃料箱的設(shè)計(jì)開發(fā)。

此外，國際電動(dòng)車標(biāo)桿企業(yè)特斯拉（Tesla）為合理控制產(chǎn)品制造成本，開發(fā)了大型一體化壓鑄工藝并搭配新型高導(dǎo)電高強(qiáng)度鋁合金材料，成功簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，提升了壓鑄鋁合金車架的整體性能與安全性，使電動(dòng)車輛售價(jià)更具親民性。

隨著蘋果（Apple）等 3C 企業(yè)、宜家（IKEA）等家具企業(yè)、可口可樂（Coca-Cola）等飲料企業(yè)等國際標(biāo)桿企業(yè)逐步要求供應(yīng)鏈提高再生鋁料使用比例（由于再生鋁料循環(huán)過程所需電力僅為原生鋁（鋁土礦精煉與電解）生產(chǎn)電力需求的5%），產(chǎn)品向節(jié)能減碳方向發(fā)展的趨勢(shì)日益明顯。

其中，7系航天級(jí)鋁合金強(qiáng)度超過700 MPa，鐵和硅是兩大關(guān)鍵影響元素，但在加工與循環(huán)過程中會(huì)導(dǎo)致鐵含量累積，因此需將鐵含量控制在0.15 wt% 以下——通過除鐵技術(shù)避免富鐵相（Al?Fe、α-AlFeSi、β-AlFeSi）形成，維持材料的成形性與力學(xué)性能，即可將大量航天加工再生料應(yīng)用于高端低碳綠色產(chǎn)品。

此外，歐盟CORDIS科研平臺(tái)研發(fā)的循環(huán)鋁材除鐵技術(shù)，解決了車輛產(chǎn)業(yè)5 系、6系鋁合金報(bào)廢產(chǎn)品回收循環(huán)后重返產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的問題。

（二）泡沫鋁合金

超輕量化泡沫鋁合金相較于實(shí)體材料，具有輕量化（密度 0.07~1.0 g/cm3）、吸收震動(dòng)沖擊能量（沖擊能量吸收量1.0 MJ/m3）、絕熱隔音（熱導(dǎo)率 0.3~35.0 W/m?K）等功能特性。根據(jù)內(nèi)部孔洞分布特征，泡沫鋁合金可分為開放式（Open cell）和封閉式（Closed cell）兩類，其制備工藝主要包括直接發(fā)泡法（Direct foaming）和間接發(fā)泡法（Indirect foaming）：直接發(fā)泡法是將高壓氣體通入熔融金屬液中，使細(xì)微氣泡均勻分散于金屬液內(nèi)；間接發(fā)泡法則是添加發(fā)泡劑（如TiH?）制備預(yù)發(fā)泡坯料，再經(jīng)加熱完成發(fā)泡。

日本Shiko Wire公司采用砂型鑄造工藝，開發(fā)出減震降噪橫梁并應(yīng)用于機(jī)床——該橫梁外殼采用 AlZn10Si8Mg 合金，內(nèi)部填充ALPORAS封閉式泡沫鋁芯材（AlCa1.5Ti1.5合金）。盡管結(jié)構(gòu)件制造成本略有增加，但在370 Hz振動(dòng)頻率下，可實(shí)現(xiàn)60%的震動(dòng)衰減與噪音降低，目前已成功應(yīng)用于七百多臺(tái)機(jī)床。

此外，奧地利理工學(xué)院與寶馬（BMW）合作，通過鑄造工藝開發(fā)出內(nèi)嵌復(fù)合泡沫鋁合金的引擎支架，兼具輕量化與沖擊吸收特性；近期更整合泡沫鋁合金的輕量化、減震及電池溫度穩(wěn)定功能，將其應(yīng)用于電動(dòng)車電池殼體設(shè)計(jì)（如圖 4 所示）。

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四、新型銅合金

銅金屬具備優(yōu)良的導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能、延展性佳、易加工成型及抗菌效果（僅次于銀），但存在強(qiáng)度低易變形、硬度低不耐磨的缺點(diǎn)，可通過合金設(shè)計(jì)及制程控制加以改善。

據(jù)2019年銅應(yīng)用需求統(tǒng)計(jì)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括設(shè)備制造（31%，如計(jì)算機(jī)）、建筑（28%，如通訊系統(tǒng)）、基礎(chǔ)設(shè)施（16%，如電力裝置）、交通運(yùn)輸（13%，如電動(dòng)車輛）及工業(yè)制造（12%，如馬達(dá)）。

銅因?qū)щ娦阅軆?yōu)異，常用于電子產(chǎn)業(yè)制造高導(dǎo)電線路；銅合金則通過添加不同元素，調(diào)整材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、散熱性及抗腐蝕特性，以滿足能源、石化及船舶產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用需求。

隨著產(chǎn)業(yè)形態(tài)與生活環(huán)境的變化，工業(yè)4.0推動(dòng)無人工廠發(fā)展，車輛電動(dòng)化趨勢(shì)日益顯著，高性能銅合金的研發(fā)與應(yīng)用也隨之加速。以下介紹兩類銅合金的發(fā)展趨勢(shì)。

（一）高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金

鈹銅是最早開發(fā)的兼具高強(qiáng)度與高導(dǎo)電性能的銅合金，通過添加1-2 wt%的鈹元素，經(jīng)均質(zhì)化、熱軋、固溶、冷軋及時(shí)效等工藝處理，可獲得遠(yuǎn)超普通銅合金的力學(xué)性能——拉伸強(qiáng)度達(dá)1200-1400 MPa，硬度為354-390 VHN；此外，鈹銅的導(dǎo)電率為22-28% IACS（鋼鐵為 2-3% IACS），導(dǎo)熱率為105 W/m?K（鋼鐵為80 W/m?K）。憑借強(qiáng)度與導(dǎo)電導(dǎo)熱性的優(yōu)異結(jié)合，鈹銅廣泛應(yīng)用于電子組件、航空及車輛產(chǎn)業(yè)。

然而，鈹具有毒性，被列入歐盟《有害物質(zhì)限制使用指令》（Restriction of Hazardous Substances, RoHS）規(guī)范；美國職業(yè)安全與健康管理局（Occupational Safety and Health Administration, OSHA）明確指出，接觸鈹?shù)墓ぷ魅藛T罹患慢性鈹病、鈹中毒及肺癌的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加。

為替代有毒的鈹銅，一系列高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的研發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。有學(xué)者提出將鐵與銅結(jié)合，希望將鐵的強(qiáng)度、硬度及磁性引入銅合金，開發(fā)兼具高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度及抗腐蝕特性的材料。

從相圖分析，鐵在銅中的固溶度不足3 wt%，多余的鐵會(huì)在凝固過程中析出，形成雙相結(jié)構(gòu)的銅鐵合金（Copper Ferro Alloy, CFA）。但由于鐵的偏析特性，制造成分與微觀結(jié)構(gòu)均勻的銅鐵合金難度較大。

隨著冶煉技術(shù)的進(jìn)步，銅鐵合金已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，如CFA95、CFA90及CFA70 分別代表鐵含量為5 wt%、10 wt% 及30 wt% 的銅鐵合金，通過調(diào)控鐵含量可優(yōu)化合金的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性能及強(qiáng)度，以適配不同應(yīng)用場(chǎng)景。

例如，CFA95的導(dǎo)電率為47% IACS，拉伸強(qiáng)度約550 MPa，在1-1000 MHz 頻段（影響計(jì)算機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵頻率范圍）的電磁屏蔽效能可達(dá)70 dB，可廣泛應(yīng)用于汽車、電氣、電子、通訊等產(chǎn)業(yè)。

其中，CFA95銅箔可包覆在電纜表面作為電磁屏蔽及保護(hù)材料，其高導(dǎo)電、高強(qiáng)度及優(yōu)異電磁屏蔽性能的線材可制成電器、電子、通訊產(chǎn)品及機(jī)器人的連接端子。

高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的核心性能指標(biāo)為拉伸強(qiáng)度500-900 MPa、導(dǎo)電率45-80% IACS，其設(shè)計(jì)方法與熱機(jī)處理工藝已逐漸成熟。以 Cu-Ni-Si 合金體系為例，添加鉻或鐵并經(jīng)低溫時(shí)效熱處理，可析出大量細(xì)小的第二相粒子，大幅降低銅基體中鎳和硅的固溶量，從而顯著提升合金的強(qiáng)度與導(dǎo)電性。

QuesTek公司進(jìn)一步推進(jìn)了該領(lǐng)域的理論研究與應(yīng)用，通過計(jì)算機(jī)模擬及人工智能算法，快速設(shè)計(jì)出可應(yīng)用于航天產(chǎn)業(yè)的高強(qiáng)度無鈹銅合金Cuprium，該合金通過十幾納米的析出相強(qiáng)化，屈服強(qiáng)度達(dá)980 MPa，延展性為15%。

各類高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的拉伸強(qiáng)度與導(dǎo)電率分布如圖 5 所示，其中Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr等合金體系已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，例如美國環(huán)球金屬（Global Metal）開發(fā)的 C19400（CuFeP 體系）和 C70250（CuNiSi 體系），日本三菱材料（Mitsubishi Materials）開發(fā)的 TAMAC194（CuFeZnP 體系）和 MZC1（CuCrZr 體系）。

目前，此類新型高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金已應(yīng)用于電力、電子、機(jī)械及汽車領(lǐng)域的端子連接器。在車輛產(chǎn)業(yè)，全球節(jié)能減排浪潮推動(dòng)電動(dòng)車成為未來發(fā)展趨勢(shì)，其快速充電技術(shù)需將電壓提升至400 V 左右，因此充電裝置連接器材料的導(dǎo)電性至關(guān)重要，以避免大電流導(dǎo)致的材料過熱；同時(shí)，充電裝置的頻繁插拔要求連接器材料具備高強(qiáng)度與耐磨性，這也是未來的核心發(fā)展方向。

在電子產(chǎn)業(yè)，隨著技術(shù)快速迭代，IC 封裝用導(dǎo)線架對(duì)材料的 “輕薄短小” 要求日益嚴(yán)苛，需兼具支撐芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度（550-650 MPa）與高效的電 / 熱傳輸性能（導(dǎo)電率 80-85% IACS），目前CuFeP 及 CuCrZr 系列高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金是導(dǎo)線架的主流材料。

（二）抗菌銅合金

長(zhǎng)效型抗菌銅合金可應(yīng)用于居家防疫用品，包括常接觸的開關(guān)、按鍵、握把、扶手、盥洗用具及紡織品；此外，應(yīng)用于船舶（如船底）與養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)（如箱網(wǎng)）時(shí)，可延緩生物附著（如藤壺），從而降低人力維護(hù)成本。

銅合金的滅菌機(jī)理由多種因素構(gòu)成，銅合金中釋放的銅離子（包括 Cu?及 Cu2?），能夠干擾多種微生物的代謝活性，并破壞其細(xì)胞 DNA 的完整性。

目前銅離子已逐漸開始替代銀離子用于抗菌領(lǐng)域。盡管銀的抗菌效果最佳，但銀離子或納米銀會(huì)通過皮膚進(jìn)入人體，導(dǎo)致體內(nèi)重金屬累積，長(zhǎng)期下來有損健康；銅是人體必需的微量元素（僅次于鐵和鋅），而人體并不需要銀元素，進(jìn)入人體內(nèi)的銅元素可通過新陳代謝排出體外。因此，銅合金的人體親和性更佳，且材料價(jià)格相較于銀更具優(yōu)勢(shì)，更適合導(dǎo)入民生產(chǎn)業(yè)的高值化防疫科技應(yīng)用。

五、金屬基復(fù)合材料

根據(jù)全球金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composites, MMC）及纖維金屬層壓板（Fiber Metal Laminate, FML）市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告，MMC產(chǎn)業(yè)需求量從2012年的 5 千噸（當(dāng)年產(chǎn)值2.3億美元）增長(zhǎng)至2019年的7千噸（當(dāng)年產(chǎn)值4億美元）；FML產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值預(yù)計(jì)從2022年的200萬美元增長(zhǎng)至2027年的330萬美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 10%。

金屬基復(fù)合材料是指將兩種及以上異種材料混合制備而成的材料，常用制備方法包括：一是將強(qiáng)化體與金屬母材按不同比例混合，使強(qiáng)化體均勻分散于金屬母材中，其中強(qiáng)化體材料涵蓋碳化物（如碳化硅）、氧化物（如氧化鋁）、氮化物（如氮化鋁）及碳材料（如石墨）等；二是采用板材堆疊方式，通過界面結(jié)合技術(shù)將金屬板與纖維板（如碳纖維）復(fù)合，制成層狀復(fù)合板材。

通過兩種及以上材料的復(fù)合應(yīng)用，可突破單一金屬材料的性能局限，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能升級(jí)。以下將以鋁基復(fù)合材料與銅基復(fù)合材料為例，說明其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用趨勢(shì)。

（一）鋁基復(fù)合材料

在汽車產(chǎn)業(yè)的耐磨活塞零部件開發(fā)中，已將原本的鑄鐵材料替換為鋁合金材料，同時(shí)添加石墨粉末，并通過離心鑄造技術(shù)使石墨粒子均勻分布于引擎活塞套筒內(nèi)壁。

當(dāng)活塞系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，石墨粒子可增強(qiáng)活塞與內(nèi)壁間的潤(rùn)滑效果；同時(shí)，采用輕量化鋁合金材料也提升了燃油轉(zhuǎn)換效率。Al-Graphite（鋁 - 石墨）復(fù)合材料優(yōu)化了引擎活塞系統(tǒng)的導(dǎo)熱性、耐高溫性、耐高壓性、抗腐蝕性、低熱膨脹性及潤(rùn)滑性能，讓汽車實(shí)現(xiàn)省油、運(yùn)轉(zhuǎn)順暢且穩(wěn)定的效果。

Al-SiC（鋁-碳化硅）系列材料被開發(fā)應(yīng)用于耐磨及散熱類產(chǎn)品。針對(duì)高性能機(jī)床對(duì)加工效率、精度及可靠性的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求，Al-SiC材料被用于機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，可減少設(shè)備運(yùn)作過程中的震動(dòng)，避免加工刀具長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)出現(xiàn)溫度升高及結(jié)構(gòu)件熱變形的問題，同時(shí)確保零部件在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)不易磨損。例如，日本精密陶瓷株式會(huì)社（Japan Fine Ceramics Co., Ltd., JFC）通過鑄造法制備了代號(hào)為 SA301、SA401 的鋁合金材料，布局高可靠性結(jié)構(gòu)件的開發(fā)應(yīng)用。

絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車及軌道車輛，為滿足快速充放電需求，高可靠性散熱模塊已無法采用銅作為散熱材料。Al-SiC 材料具備低密度（2.9 g/cm3）、低熱膨脹系數(shù)（13×10??/K）及優(yōu)異的散熱性能（155 W/m?K），可有效延長(zhǎng)電力系統(tǒng)中交流電動(dòng)機(jī)輸出控制電子零件的使用壽命。

電子通訊產(chǎn)業(yè)隨著通信頻率邁向28 GHz（5G 毫米波）、電磁波輻射增益（Gain）≥5.0 dBi，需解決金屬殼件導(dǎo)致的信號(hào)屏蔽難題。通過異質(zhì)混成板材設(shè)計(jì)，研發(fā)出兼具金屬機(jī)械性能、質(zhì)感與熱塑性復(fù)合材料輕量化、可回收利用特性的混成板材（Hybrid Laminated Material）—— 金屬板與復(fù)合材料層間嵌入陣列天線的設(shè)計(jì)示意圖如圖 6 所示，可有效破解 5G 毫米波通訊中的金屬信號(hào)屏蔽（Signal Shielding）問題。

從全球混成材料的發(fā)展及應(yīng)用概況來看，纖維金屬層壓板（Fiber Metal Laminate, FML）的材質(zhì)包含金屬（鋁/鈦/鋼/鎂等）、纖維（玻纖/碳纖等）、樹脂等，應(yīng)用領(lǐng)域以交通運(yùn)輸、航天為主，近年來在消費(fèi)性電子產(chǎn)品等新興領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸起步。

此外，纖維金屬層壓板中，復(fù)合材料的樹脂材料以往多以熱固性高分子為主，受環(huán)保等因素影響，正逐漸由熱塑性高分子替代；而復(fù)合材料的纖維材料多以聚丙烯腈系（PAN）為主，但若需對(duì)高剛性結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，則多采用瀝青系（Pitch）纖維。

（二）銅基復(fù)合材料

多篇文獻(xiàn)研究表明，為突破純銅材料的熱導(dǎo)率瓶頸并提升其力學(xué)性能，可在銅基體中添加高導(dǎo)熱率碳材料，包括單層結(jié)構(gòu)納米碳管（約 3500 W/（m?K））、多層結(jié)構(gòu)納米碳管（約 3000 W/（m?K））、碳纖維（約 1000 W/（m?K））、石墨烯（1500~5300 W/（m?K））及石墨（約 2000 W/（m?K））。其中成本最低的石墨材料極具發(fā)展?jié)摿?，在銅箔中添加30~70 vol%的片狀石墨后，材料熱導(dǎo)率可達(dá)503~741 W/（m?K）（純銅熱導(dǎo)率為 400 W/（m?K））；此外，銅-碳基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)約為3~10×10??/K（純銅為 16.5×10??/K），可有效解決熱變形問題。

由于銅基復(fù)合材料具備優(yōu)異的熱管理功能，能夠滿足未來電子產(chǎn)品及電動(dòng)化交通工具大功率快速充放電所需的高散熱需求；不過，目前該類銅基復(fù)合材料仍處于開發(fā)階段，相關(guān)理論機(jī)制尚未完全明確。

當(dāng)前，向銅基金屬中添加石墨烯或納米碳管的主要制備工藝包括熱等靜壓工藝（Hot Isostatic Pressure, HIP）、粉末冶金（Powder Metallurgy, PM）及放電等離子燒結(jié)（Spark Plasma Sintering, SPS），相關(guān)研究正蓬勃開展，散熱效率大幅提升的銅基復(fù)合材料將成為熱管理工程領(lǐng)域的重要突破。

六、結(jié)論

整體而言，金屬材料的開發(fā)與應(yīng)用與全球產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)緊密相關(guān)。隨著全球變暖、5G落地、低軌衛(wèi)星布局等新興議題的涌現(xiàn)，金屬材料正朝著特定或多重功能性方向快速發(fā)展。

因此，除新型合金材料的研發(fā)外，添加陶瓷或高分子強(qiáng)化體的金屬基復(fù)合材料及混成材料也在蓬勃發(fā)展，其核心目的均是服務(wù)于新興產(chǎn)業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減碳、減震、輕量化、優(yōu)異力學(xué)及物理性能、耐環(huán)境腐蝕、抗菌等成效。

本文作為回顧性文章，通過系統(tǒng)盤點(diǎn)，介紹了先進(jìn)鋼材、先進(jìn)鋁合金、新型銅合金及有色金屬基復(fù)合材料的發(fā)展特性與應(yīng)用領(lǐng)域，期望幫助讀者快速掌握相關(guān)產(chǎn)業(yè)的最新發(fā)展趨勢(shì)及各類金屬材料的應(yīng)用現(xiàn)狀。

來源：莊文碩等，先進(jìn)功能性金屬材料創(chuàng)新應(yīng)用趨勢(shì)，SEP2021工程?94卷03期

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