金属基复合材料（Metal Matrix Composites）是以陶瓷及碳材料（连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）为增强材料，金属或合金（如铝、镁、钛、镍、铁、铜等）为基体材料通过不同工艺制备而成的材料，金属基体具连续性。

　　对于金属基复合材料，设计的中心思想是将基体的塑性和成形性与强化体的承受载荷能力及刚性结合起来，也可以将基体的高热传导性与增强体的低热膨胀结合起来。金属基复合材料在保持母材金属特性的同时还具有“相补效应”可以弥补各自的不足，与合适的制备工艺结合获得优异的综合性能，包括力学性能及功能性。

　　金属基复合材料的性能根据混合相的不同而不同。在以铝合金为基体金属的复合材料中，尤其以碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）发展最为成熟，应用也最为广泛。它的主要特点是各向同性、高比强度、高比刚度，热膨胀系数可匹配设计、高的导热率，好的尺寸稳定性等特点。美国从1980年代开始实现金属基复合材料在航空航天领域的应用，按应用范围将金属基复合材料分为三类：一是结构级金属基复合材料；二是仪表级金属基复合材料；三是光学级金属基复合材料。主要应用在航空航天、人造卫星和空间站等领域。

　　航天设备的宠儿

　　自1980年代开始，SiCp/Al复合材料大规模应用于结构材料中，英国航天金属基复合材料公司（AMC）采用粉末冶金法制备出高刚度、耐疲劳的SiCp/Al复合材料，在法国Eurocopter公司生产的EC-120新型民用直升机上应用。美国DWA公司将SiCp/6061Al复合材料应用于飞机电子设备支架。除了航空航天结构件，BP公司研制的SiCp/2024Al复合材料在Raleigh's赛车框架上实现应用。1985年，SiCp/2024Al复合材料在仪表级复合材料中实现应用，美国确立继铝合金、铍合金后SiCp/Al复合材料为第三代航天惯性器件，在三叉戟导弹Ⅱ惯导平台上实现应用。除了结构级金属基复合材料和仪表级金属基复合材料，1987-1988年美国ACMC公司与亚利桑那大学光学研究中心合作完成光学级金属基复合材料研制，采用SiC颗粒增强铝基复合材料制成超轻量化空间望远镜(包括结构桁架部件与反射镜)。ACMC公司的碳化硅颗粒增强铝基复合材料还用于激光反射镜、卫星太阳能反射镜、空间遥感器中扫描用高速摆镜等。同时颗粒增强铝基复合材料还应用在金属镜光学系统如红外探测器、空间激光镜。除了上述体系金属基复合材料，SiCp/Al复合材料在耐磨器件上得到应用，继日本最早将其应用在汽车发动机缸体，丰田公司在Fx－1轻型特种车辆的高性能试验发动机上装上了铸铝复合材料连杆，减重大约30%，抗拉强度和疲劳强度提高，线膨胀系数降低。

　　1995年美国Alcan公司将SiCp/Al应用于福特汽车刹车片。我国在1980年代开始发展金属基复合材料，在国家“863”、“973”、国家自然科学基金相关政策支持下，已突破一些关键技术，在航空航天、国防军工等领域实现部分应用。在材料制备方面，已掌握粉末冶金、搅拌铸造、压力浸渗、喷射沉积等工艺，但在材料稳定性控制、工业化生产仍需积累产业经验，实现大规模生产。

　　工艺犹待改进

　　石墨烯是由sp²杂化碳原子组成的单原子层厚度的二维独特结构，被认为是目前世界上最薄最坚硬的材料之一，其比表面积可达2630m²/g。石墨烯具有优异的力学性能，杨氏模量可达1100GPa，断裂强度125GPa，达到钢的100多倍。同时，石墨烯拥有优异的电学性能，其禁带宽度等于0，载流子迁移率达到2×10⁵cm·V^-1s^-1,又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约1Ω·m，比铜或银更低，是电阻率最小的材料。良好的热学性能，热导率高达5300W·m^-1K^-1，高于碳纳米管和金刚石，是铝的17倍（298W/m·K），铜的13倍（398W/m·K），Al₂O₃的176倍(30W/m·K）。上述特性，使石墨烯可以作为纳米颗粒添加到金属中，成为理想增强体材料首选，获得轻质、高强度、高塑性、高刚度、高电导率及高热导率的复合材料。相对于碳化硅等陶瓷增强体增强的金属基复合材料，石墨烯增强金属基复合材料综合性能更具优越性，在后续材料加工（如挤压、轧制、模锻等）及机械加工（车削等）工艺中呈现更大优势，降低加工成本。同时，由于石墨烯的密度更小，可进一步减重，为在轻质器件中应用提供了可能。

　　目前，石墨烯增强金属基复合材料研究刚刚起步，从2012年开始出现文献报道，大部分在工艺探索阶段，制备方法以粉末冶金法为主，主要集中在铝基复合材料和铜基复合材料，石墨烯添加体积分数在0.1%～3%，大多数研究结果表明拉伸强度、屈服强度及压缩强度上都有大幅提升。同时，部分制备工艺中塑性表现良好，相比于传统的金属基复合材料强度提高同时塑性大幅降低，石墨烯增强金属基复合材料的延伸率相比于铝基体无显著变化，仍保持了基体良好的塑性。在热物理性能方面也与传统陶瓷颗粒增强的金属基复合材料显著不同，陶瓷相加入大幅降低复合材料的导电性和导热性，而采用合适工艺制备的石墨烯增强金属基复合材料导电、导热性无降低趋势或得到一定提升。由此可见，采用合适的制备工艺，能获得高强高韧，高导电高导热等综合性能优异的石墨烯增强金属基复合材料。

　　石墨烯作为纳米增强体，在材料制备工艺上存在两大问题：一是石墨烯与基体合金润湿性差，如何解决界面问题，使界面能更好地传递载荷、电子和热流等；二是纳米尺度增强体颗粒加入，如何解决分散均匀性，避免颗粒团聚降低力学性能，破坏材料均一性。济南大学合金及复合材料课题组2011年开始在国家自然科学基金的资助下制备了铝基、铜基及高温合金系列金属基复合材料，主要解决石墨烯均匀分散、石墨烯界面改性及低成本、大尺寸等关键技术问题获得一定进展，以铝基复合材料为例，材料力学性能大幅提升，拉伸强度提高最高达10%～50%左右，弯曲强度提高最高达30%～80%。而且，特定工艺制备的金属基复合材料导电、导热性能与基体合金相比无降低，部分提高。同时，在材料力学性能及物理性能提高的同时，石墨烯增强金属基复合材料具有良好的可塑性成形性、好的可焊性、表面改性质量好及易切削加工。

　　目前，国内关于石墨烯金属基复合材料研究都处于实验室阶段，关键制备工艺的突破期待解决，主要解决石墨烯纳米粉体的添加工艺，解决石墨烯与基体金属的界面结合及在基体中的均匀分布。由于石墨烯增强金属基复合材料应用范围较广，依据使用性能进行体系的精细化设计需要大量试验数据支撑。传统金属基复合材料的一些设计思路可提供一些借鉴但强化机制又存在差异性，而且传统金属基复合材料在我国主要为实验室小批量军工生产为主，本身设计体系不健全，因此，石墨烯增强金属基复合材料的发展，也带动传统金属基复合材料体系的发展。另外，一大关键问题是上游石墨烯制备成本的降低，也是石墨烯金属基复合材料大范围应用的关键。在国家工信部、发改委及科技部一些列关于石墨烯技术的产业政策推动下，石墨烯成本有望大幅降低，为石墨烯增强金属基复合材料的民用提供可能。

　　关键制备工艺的突破是未来石墨烯增强金属基复合材料发展的重点，石墨烯增强金属基复合材料未来可应用在航空航天、轨道交通、电缆导线及民用电子等领域。

　　作者单位：济南大学