金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料，金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。目前金属材料的发展已从纯金属、纯合金向更复杂的加工及材料体系发展。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到快速发展，新的高性能金属材料开始被市场认可，如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了可观的经济效益。本文就将带大家一起认识一些高端金属材料。

 

 

 

01

硬质合金

硬质合金是以一种或几种难熔金属碳化物（碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成分，加入作为粘结剂的金属粉末（钴、镍等），经粉末冶金法而制得的合金。硬质合金的基体由两部分组成：一部分是硬质相；另一部分是粘结相。

 

 

 

硬质相一般是元素周期表中的过渡金属碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化钽等。它们的硬度很高，熔点在2000℃以上，有的甚至超过4000℃。此外，过渡金属的氮化物、硼化物和硅化物具有相似的性质，也可以作为硬质合金中的硬化相。硬质相的存在决定了硬质合金极高的硬度和耐磨性。而粘结相即结合金属，一般为铁族金属，常用的有钴和镍。

 

 

 

1923年，德国的施莱特（Schreiter）在碳化钨中添加了10%的钴，作为碳化钨粉末的粘合剂，从而发明了一种碳化钨和钴的新合金，其硬度仅次于金刚石，开始被称之为“硬质合金”。1929年，美国的施瓦茨科夫（Schwarzkov）在原有硬质相成分中添加了一定数量的碳化钨和碳化钛的复合碳化物，从而进一步改善了刀具切削钢的性能，这是硬质合金发展史上的又一成就。

 

 

 

硬质合金具有一系列优异的性能，例如高硬度，耐磨性，高强度，耐热性和耐腐蚀性，尤其是其高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时也具有很高的硬度。硬质合金被广泛用作切削钢件，不锈钢，耐热合金，铸铁，有色金属，塑料，化纤，石墨，玻璃，石材和其它难加工材料的刀具材料，例如车刀，铣刀，刨床，钻头，丝锥，镗刀等。选择硬质合金用于切削难加工材料，也是具有很高的性价比优势，例如耐热不锈钢，高锰钢，工具钢，高温合金，钛合金，甚至很多难熔金属合金（如钨、钼、钽、铌等等）。现在，新型硬质合金刀具的切削效率，已经达到碳钢的数百倍，高速钢的数十倍，是目前市场上最普遍使用的切削刀具主流材料，市场占有份额高达70%以上。

硬质合金还可用于制造凿岩工具，采矿工具，钻孔工具，量具，易损件，金属磨削工具，气缸套，精密轴承，喷嘴等。涂层硬质合金已经面世近二十年，1969年，瑞典成功开发了碳化钛涂层刀具，刀具的基础是钨钛钴硬质合金或钨钴硬质合金。表面碳化钛涂层的厚度只有几微米，但与同等级的合金工具相比，使用寿命延长了3倍，切割速度提高了25%至50%。第四代涂层刀具出现在1970年代，用于切削难加工的材料。

 

 

 

02

高端轴承钢

 

 

随着当前社会的飞速发展，轴承钢已广泛应用于工业机械、装备制造、交通运输、航空航天等各个领域。国内的轴承和轴承钢制造行业经过了数十年的发展，逐渐形成了较为完善的工业体系。国内轴承与轴承钢的研发与生产，以及轴承钢产品质量的稳定提升，使中国逐渐成为世界轴承制造大国，并朝着制造强国的目标稳步前进。

 

 

轴承钢发展方向：随着国内工业制造领域的不断发展，中国立足于国际产业变革大形势，作出了“中国制造2025”国家战略部署。作为装备制造领域不可或缺的关键零部件之一，轴承关系着国内工业领域高端制造的未来发展方向，决定着中国向世界制造强国目标的迈进。总体来看，中国轴承行业经过近几十年的发展已有了显著提升，但在高端轴承领域，由于对钢中夹杂物、碳化物的尺寸与分布以及低倍组织缺陷的控制精细程度不足，使高品质轴承产品的质量稳定性得不到保障。鉴于此，未来国内轴承行业为满足高端轴承产品的长寿命、高可靠性要求，其研究方向可从以下几个方面考虑：

 

• 工艺改进。基于轴承钢的常规马氏体淬回火处理，已陆续研发出贝氏体等温淬火、马氏体-贝氏体等温淬火、贝氏体变温淬火等新的热处理工艺。针对当前研究较多的贝氏体轴承钢，首先，应注意贝氏体等温淬火工艺的适用性，热处理工艺的选择应根据轴承的工作环境以及实际使用性能要求来确定；其次，对于贝氏体等温淬火介质的改良，未来应尽量避免过多使用有毒的硝盐，研发更环保的淬火介质；第三，由于贝氏体等温温度较低，导致整个热处理过程加工时间过长，这无疑增加了企业制造成本，因此对于贝氏体转变时间的缩减应是未来的研究重点之一。此外，国内轴承钢的冶炼工艺流程虽基本与国际水平接轨，但国内废钢冶炼占比较大，精炼过程中真空度不达标，钢中氧含量波动偏大，导致非金属夹杂物、碳化物的控制难以达到评级标准。最后，还应借鉴国外真空脱气、夹杂物均匀化等先进冶炼工艺，实现超洁净、超长寿命轴承钢的国产化。

 

 

• 内部质量控制。第一，对于氧质量分数的控制以及夹杂物在钢中的分布均匀性应有更为精细的检测与控制标准，未来对于钢中氧的质量分数应稳定在0.0006%以下，钛的质量分数应小于0.0015%，降低或消除钢中硬脆夹杂物导致的疲劳剥落与断裂，将夹杂物对钢材质量的影响降到最低；第二，针对国内轴承钢较为突出的碳化物不稳定甚至是超标问题，应通过控轧控冷、周期性球化退火以及循环感应球化退火等先进工艺，尽可能消除钢中的碳化物偏析，提升碳化物分布的均匀性，实现组织细化与均匀化；第三，优化冶炼过程中的连铸工艺，减少钢中的低倍组织缺陷，降低铸坯中心疏松、缩孔，严格控制成分偏析，改善连铸坯的质量。

 

 

• 表面改性。针对日益复杂的工作环境，尽可能基于表面渗碳、碳氮共渗等原有的表面处理工艺，结合表面涂层、熔覆等新的表面改性技术，实现对材料表面性能的优化，延长轴承的疲劳寿命，开发出适应不同工作环境的轴承钢产品，实现轴承钢由单一性向多元化的特色发展。

 

 

• 检测设备与技术评价标准。首先，国内轴承行业生产集中度低，各轴承制造企业的产品质量参差不齐，由于大部分中小企业高精密检测设备缺乏，诸如微观夹杂物、网状碳化物、表面缺陷等很难被检出，最终导致不合格产品流入市场；其次，国内轴承行业标准对于部分有害元素含量、夹杂物以及碳化物的尺寸及分布未做评级要求，对于脱碳层、尺寸精度的控制不够严格；另外，目前国外对于钢中残余奥氏体及残余应力的检测评定均有相关控制标准，而中国对于钢中残余应力的检测分析尚未纳入控制指标，对此今后应结合国内外轴承行业发展实际情况，制定统一的技术评价体系以及完备的检测评级标准，严格控制产品质量，提升国内轴承产品的质量稳定性。

 

03

多孔金属

 

 

 

近年来，多孔材料逐渐成为一种发展非常迅速的热点材料，从性质上分类，它包括无机多孔材料，如多孔陶瓷、发泡玻璃、泡沫混凝土等，有机多孔材料，如有机气凝胶，聚苯乙烯吸附树脂等，以及金属多孔材料。多孔金属材料是一种由金属基体及气孔组成的新型多功能复合材料，具有轻质、高强、减震、消音减噪的优点，被广泛地应用于建筑、化工、交通运输、生物制药、军事及航空航天领域。为取得更广泛的应用领域，获得性能更优异的多孔金属材料产品，其内部孔径的研究方向已由传统的多面体孔形貌向高孔隙率、均匀细小的球状孔隙发展。

 

• 吸声材料领域：一般来说，多孔材料均具有一定的吸声性能，多孔金属也不例外，如泡沫铝。影响多孔金属材料吸声性能的主要因素有材料厚度、孔隙率、空腔厚度、表面涂层、环境温度等因素，从材料自身来说，材料内部的孔隙分布影响最大，其关键在于：微孔是相互连通的，在一定孔径范围内，材料内部孔隙率越高，孔径越大，其吸声效果越好，而闭孔的吸声作用相对较小，甚至不起吸声作用。与传统的木质纤维板及无机保温板相比，多孔金属材料不仅具有吸声降噪的功能，而且兼具高的比强度、防火、减震、防潮、环保等优良性能。

 

 

• 过滤与分离：多孔金属材料的孔隙率在30-80%之间，孔径分布在10nm-600μm之间，具有优良的流体透过性能，由其制备的过滤材料被广泛地应用于汽车、化工、冶金、制药及水处理等不同领域。与多孔陶瓷相比，其强度和延展性明显更高，且在机械加工和焊接方面具有一定的优势，但在耐高温及耐腐蚀方面仍有很大差距。

 

 

• 催化剂载体：目前，多采用多孔陶瓷材料作为催化剂载体，但是在强度、韧性和导热性上，多孔金属材料具有明显的优势，可使其作为催化剂载体材料的新的选择，提高催化效率。如可用于乙醇的选择性氧化、石油化工中的己烷重组反应工程；又如在多孔金属薄片表面涂抹催化剂浆体，并通过轧制成型和高温处理，可用来处理氮氧化物等电厂废气。

 

 

• 医用生物材料领域：根据多孔金属的过滤分离功能，在抗菌素药物生产时常使用多孔合金制成的过滤器过滤不需要的细菌，采用多孔钛管进行氯霉素水解物过滤、四咪唑生产中活性炭的过滤等。此外还有利用多孔金属材料所具有的开放多孔状结构，例如由钛及钛合金制备的多孔材料，因与人体组织有良好的相容性且对人体无害，且其自身具有的机械强度及杨氏模量可通过调整孔隙率与人体天然骨骼相匹配，同时具有很好的减振效果，多被应用于生物医学中骨科植入物、椎体融合等椎间盘疾病的治疗。 

 

 

• 建筑材料领域：在目前大多数建筑工程中，具有轻质、高强、耐火阻燃的保温构件应用十分广泛，传统的保温材料如聚氨酯泡沫板、岩棉等不具备一定的承重能力和防火功能，在使用过程中经常易引发火灾事故。而多孔金属材料在建筑材料方面的应用填补了传统保温材料的不足，其独特的视觉效果也可用于装饰材料，不仅被工业人士重视，同时也深受设计师和艺术家的青睐。

 

 

• 汽车工业及航空航天领域：金属多孔材料作为结构材料，还可用在汽车、航空航天领域。目前轻质、具有高刚度、吸能和吸音性能的多孔铝已在汽车上得到应用，如德国Karmann汽车公司研制的三明治式复合多孔铝制车顶盖板，与比原来的钢构件相比，刚度提高了7倍左右，而重量却减轻了3/4。另外，多孔金属所具有的轻质高强、阻燃、高阻尼性能、电磁屏蔽、导热导电性能，可以取代航天工业中使用的蜂窝结构材料、高分子粘弹材料及轻质传热支撑构件，制作飞机机翼金属外壳的支撑体，宇宙飞船的起落架、宇航员空间行走的保暖装置等。

 

随着工业与科技的进步与发展，人们对多孔金属材料的应用需求越来越广泛。然而多孔金属材料的应用价值尚未被完全开发出来，轻质化已不再是人们所追求的目标，开发出新的兼具轻质及其它优良性能的多功能复合材料成为必然的发展趋势，同时由实验室阶段向工业化生产的推进将会对能源、建筑、国防等国家支柱产业产生极大的经济和环保意义。

 

 

 

04

硅钢

 

 

硅钢是一种铁硅合金，具有优于其他类型钢合金的磁性，使其针对从电力和配电变压器到电动机的各种电机进行了优化。

 

硅钢仅占2020年20亿吨全球钢铁的1%，但其供应被视为车企电气化计划以及各种能源转型举措的日益关键投入。电动机在新能源汽车中是重要的组成部分。这些系统通过为定子中的铜绕组通电，将电能转换为机械能，从而产生磁场，然后使转子旋转。

 

商业硅钢市场分为两大类：取向性硅钢片（GOES）和无取向硅钢（NOES）：

 

• 取向性硅钢片（GOES）用于变压器等静态机械，需要单向磁化，而无取向硅钢（NOES）用于电机和发电机等需要多向磁化的旋转机械。无取向硅钢（NOES）的应用范围很广，包括消费电器（洗衣机、洗碗机等）、供暖、通风和空调（HVAC）（包括家用制冷）、汽车应用、小型、中型和大型工业电机、发电机、泵等。由于对旋转机械的需求量大幅增加，2019年全球无取向硅钢（NOES）产量大大超过了当年生产的取向性硅钢片（GOES）数量。

 

汽车制造商直接用到无取向硅钢（NOES），但他们也间接接触到取向性硅钢片（GOES）。

 

• 无取向硅钢（NOES）是用于混合动力和电动汽车的电动机制造的直接材料输入，以及许多低功率电机应用，从用于电动动力转向、机油和燃油泵的高负荷循环电机到用于舒适和便利的短时电动机，如电动座椅调节或天窗。每辆车平均安装约35至45个低功率电机，其中约20个在B段，80个在E段（一些极端，如梅赛德斯S级，有100多台电机）。
  

 

不同电机类型之间的关键区别在于正在使用的无取向硅钢（NOES）等级。作为参考，轻质混合动力电机使用不到10美元的高档无取向硅钢（NOES），而电动汽车将使用高品位无取向硅钢（NOES）需求量急增，每电机使用60至150美元，称为xEV等级，在某些配置中，这甚至可以代表每辆车超过300美元的无取向硅钢（NOES）含量，例如，当前轴和后轴上配备单独的牵引电机以独立为四个车轮提供动力时，如Rivian R1T。这种xEV等级是容量限制问题正在出现的地方。

 

05

高温合金

 

 

 

高温合金，也可称为耐热合金或者超合金，是指以铁、镍、钴为基准材料的，能在600-1200℃高温的条件下，展现出较好的抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变的性能，且具备良好的疲劳性能，在一定应力负荷条件下长期工作的一种合金材料。高温合金属单一的奥氏体组织，奥氏体只能在大于727℃的高温下才能稳定存在，使得高温合金在各种高温条件下具备良好的稳定性。正因为如此，高温合金属尖端工业材料，广泛应用于航空航天和新能源领域。

 

• 分类：高温合金可按不同的标准进行分类，可按制造成型工艺、强化方式、合金的主要元素等来分类，目前，因镍基高温合金的耐热性相对较强，因此应用较为广泛，在市场上份额占比较多，已达80%。

 

 

 

 

• 应用：高温合金凭借其优异的抗热腐蚀、抗氧化及应变性能，最初被应用于航空航天领域，是航空发动机的首选材料，随着技术的发展和高温合金的产量提升，应用也越来越广泛，在民用工业中也有了一片天地，如能源动力、石油化工、工业燃气轮机、玻璃建材等。

 

 

 

 

当前，高温合金的下游应用领域中，最主要的应用领域是航空航天行业及能源电力行业，占比分别为55%及20%。

 

• 发展趋势

 

 

高温合金行业呈现比较的寡头特征，工艺路线比较复杂，以致成材率低、认证周期长，技术壁垒过高，加之我们起步较晚，所以在技术、渠道、客户资源方面超越国际龙头还存在一定的难度。

随着军、民航空发动机、火电动力行业及石油勘探的发展，高温合金的需求在稳步增长，据估计，十四五期间我国高温合金的全年平均总需求量将达8.35万吨，根据之前的数据显示，国内处于需求量大于产能的状态，因此，专业人士分析认为，我国的高温合金长期仍将保持供不应求的局面，随着下游总需求量的不断增长，进口替代需求的不断增强，以及认证周期的逐步缩短，头部高温合金企业可能将会迎来持续的发展机遇。

 

 

 

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锆合金

 

 

 

锆合金作为一种重要的战略材料，被誉为“原子能时代的第一金属”，由于其低中子吸收率、抗腐蚀、耐高温等优点,被广泛用作核反应堆关键结构材料。我国锆合金基础研究及工业化发展起步较晚，锆合金种类较少，因此，锆合金的研发受到了学术界及工业界的广泛重视。回顾了核用锆合金研发的历史进程、应用现状及未来发展趋势，阐明了锆合金基础研究和开发应用的重要性，简要介绍了新兴的高性能锆合金，包括医用锆合金、耐腐蚀锆合金、高强高韧锆合金和锆基非晶合金。随着核反应堆的升级换代和非核用应用需求的多样化，发展新型锆合金、拓展锆合金的应用范围，是锆合金未来研发的着眼点。

 

 

• 发展趋势

 

 

来一段时间，我国核用锆合金的主要发展趋势为通过改进加工工艺、降低生产成本和积极研发新型锆合金推动核用锆材全面自主化，加快中国锆材进入国际市场。事故容错核燃料组件的发展、锆合金镀层技术的成熟以及核反应堆发展重心的转移使得锆合金的研发具有一定的时效性。因此，在加强研制新型锆合金的同时，也应当注重内在机制的研究并加快配套研究设施的建设，如国内辐照实验堆、辐照后热室检测等，同时注重发展辐照过程的计算机模拟方法，为先进核用合金的研发奠定基础。此外，应当进一步加强锆合金在生物医疗、航空航天、电子信息、化学化工等领域的应用，为未来锆合金的发展拓宽方向。

我国新型锆合金的研发和产业化生产较发达国家起步较晚、工业生产技术滞后、生产成本较高、高端产品占比少、效益低，需通过加大研发力度、增加创新能力和加快基础配套设施建设进行追赶。在核用锆合金方面，需要进一步加强核用锆合金的基础研究，发展新型核用锆合金，改善国产锆合金种类少、工艺组织机理三者关系认知不足的局面，进一步完善并最终实现全部核用锆合金的自主化，并逐步推向国际市场。此外，在非核领域用锆合金方面，要通过拓展优化锆合金的各方面性能、研发新型高性能锆合金，使其广泛应用于生物医疗、化学工业、航空航天等领域。总之，需加大高端锆合金材料的研发支持力度，为保障我国核电安全高效发展和实现核电“走出去”战略奠定坚实基础，为非核用锆合金的发展提供广阔机遇。

 

 

 

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亚微米铜粉

 

 

 

亚微米铜粉也叫超细铜粉、特细铜粉，是一种紫褐色或褐色粉末主要用做微电子器件的生产，用于制造多层陶瓷电容器的终端。也可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂。还可用做石油润滑剂及医药、电镀、涂料行业等。

超细铜粉是导电率好、强度高的纳米铜材不可缺少的基础原料。由于其优异的电气性能，广泛应用于导电胶、导电涂料和电极材料，近年来研究发现可用于制作催化剂、润滑油添加剂，甚至可以用于治疗骨质疏松、骨折等。纳米铜粉的研制是一项可能带来铜及其合金革命性变化的关键技术，具有重要的理论意义和实用价值。纳米铜粉的研究还处于开发阶段，而其广泛的用途将使得纳米铜粉的研究具有更好的市场价值和市场前景。

 

 

 

08

模具钢

 

 

 

模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种，是机械制造、无线电仪表、电机、电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。由于各种模具用途迥异、工作条件复杂，因此对具体模具用钢性能，如强度、耐磨性、导热性、工艺性等要求均有所不同。模具钢按用途一般可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类，用于锻造、冲压、切型、压铸等。

模具钢行业发展趋势分析：

 

• 供应情况：在钢厂接单压力增加的现实下，且钢厂利润持续收缩的背景下，模具钢生产企业产出小幅走低。若下半年特种合金原料价格回落，吨钢利润恢复，那模具钢整体的供应或将可能增加。但考虑到国内供应量受能耗减排与行业发展，预计2022年下半年模具钢供应的增速也有所放缓。

 

 

• 需求情况：上半年汽车产量的下滑及部分制造业的衰弱，导致汽车用模具钢需求较为一般。近阶段汽车产业链供应链逐步畅通，汽车产销也呈现明显恢复性增长。后续在相关政策加持之下，下游需求仍有进一步释放空间，对模具钢需求形成一定支撑，预计2022年下半年模具钢市场需求同比或强于2022年上半年。

 

 

• 出口情况：2022年上半年模具钢出口量创下新高，但6月开始，国外市场需求外需呈逐渐放缓之势，出口订单环比下降，后期出口增加空间极为有限。依旧受价格、国际环境等影响，外贸企业出口压力凸，在外需不足的情况下，下半年国内模具钢市场竞争力度加大。

 

 

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高熵合金

 

 

 

高熵合金简称HEAs。是一类具有优异性能的新型材料,以其优异的力学性能、耐腐蚀性能、优异的热稳定性等特点受到科学界广泛关注。如今，高熵概念被广泛应用于各种材料，如氧化物、硫族化合物和卤化物；高熵态产生了多种改进功能；如热电性能、磁热效应、催化效应等。

 

高熵合金的发展趋势：

 

• 高熵合金优异的综合性能使得其适用范围宽广。高熵合金软磁性能优异，且在力学性能、加工性能上优于现有常规软磁材料；高熵合金高温稳定性、高温抗氧化性优异,可以应用在极端环境中；高熵合金具有高硬度、高强度特点，可用作硬质刀具涂层；除此之外,高熵合金还可以用作光热转换材料、轻质合金材料、模具材料等。高熵合金可广泛应用在电机、变压器、机床工具、消费电子、发动机叶片、喷气飞机引擎、核聚变等众多领域。高熵合金的非晶形成能力较强，某些高熵合金能在铸态组织中形成非晶相。而传统合金要获得非晶组织，需要极大的冷却速度将液态原子无规则分布的组织保留到室温。非晶态金属的研究是近年来才兴起的，由于结构中无位错，具有很高的强度、硬度、塑性、韧性、耐蚀性及特殊的磁学性能等，应用也极为广泛。制备非晶态高熵合金无疑将进一步扩大高熵合金的应用领域。

• 高熵合金的种类繁多，其显微结构和性能具有很高的研究价值。高熵效应是调控其显微组织和结构的主要因素，目前这一领域的关注点已经发展到了7个合金系列，每个合金系列包括6-7元素，已经产生了超过408种新合金。在这408种合金中含有648种不同的微观结构。研究发现，合金元素数量和加工条件对其显微结构有显着的影响。不同结构的高熵合金，呈现出不同的结构性能和功能特点。高熵合金独特的结构和广泛合金种类，为其结构化应用和功能化应用提供了基础。

高熵合金是一个全新的合金领域，它跳出了传统合金的设计框架、是具有许多优异性能的、特殊合金系，调整其成分可以进一步优化性能，因而具有极为广阔的应用前景。国内有关高熵合金的研究才刚刚起步，虽然有不少研究者开始关注此类合金的研究，但相关数据尚属实验室阶段，未真正进入实际应用阶段。若某一具体的高熵合金能够获得稳定、可靠、具有工业参考价值的实验数据，将真正、快速地推动高熵合金的研究和应用，在工业应用的各个领域将能看见高熵合金的身影。

 

 

 

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金属基复合材料

 

 

 

金属基复合材料具有高比强度、高比模量和低膨胀系数等特点，还具有良好的耐热性、高韧性、耐老化性、高导电和高导热性，同时还能抗辐射、阻燃、不吸潮、不放气。通过不同材料的组合，可以人为地制造出符合科技与工业生产要求的复合金属材料，可以应用于机械制造、冶金、交通、船舶、制药等多个领域。

 

金属基复合材料的发展现状：

 

• 黑色金属基复合材料：常见的黑色金属基复合材料是钢铁基复合材料。作为常用的功能材料，钢铁因其熔点高，比例大，比强度小，制造工艺困难等导致基于钢铁材料的复合材料研究并不广泛。然而随着现代工业的高速发展，工件要在恶劣的工况条件下还能正常稳定的工作，因此，改进和提高钢铁基体的性能具有重要得研究意义和实用价值。钢铁基复合材料采用高比刚度、比强度的增强颗粒与铁基体相结合的方法，可以降低基体材料的密度，并提高其硬度、耐磨度、弹性模量等物理性能。钢铁基复合材料现主要用于切削工具和等工业领域。

• 钢铁基复合材料：分为表面复合材料和整体复合材料。对于整体复合材料，常见的制备方法有粉末冶金法、原位反应复合法、外加增强体颗粒法；表面复合技术常见的制备方法为铸渗法、铸造烧结法等。钢铁基复合材料多采用颗粒增强形式，其中碳化钛、碳化钨、碳化硅、碳化钒颗粒是常见的增强相。 

• 有色金属基复合材料：常见的有色金属基复合材料包括铝基、镁基、钛基、镍基复合材料。由于有色金属具有熔点低、硬度小的特点，故有色金属基复合材料比起黑色金属基复合材料应用更为广泛。目前，在航天、航空和汽车工业等领域中，各种高比模量、高比强度的有色金属基复合材料轻型结构件正在被广泛应用。

铝基复合材料在具有铝合金密度小、导热好等特性的同时还具有更高的强度和刚度，而较多的制备方法和易于进行塑形加工的特点也在一定程度上降低了铝基复合材料的制造成本。目前已经研制成功的铝基复合材料主要有以下五种：硼-铝复合材料、碳(石墨)-铝复合材料、碳化硅-铝复合材料、氧化铝-铝复合材料和不锈钢丝-铝复合材料。

镁基复合材料是继铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料，其主要特点是密度低,比强度和比刚度高，同时还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性，优良的减振性能及良好的尺寸稳定性和铸造性能等；此外，还具有电磁屏蔽和储氢特性等，是一类优秀的结构和功能材料，也是当今高新技术领域中有希望采用的复合材料之一；但由于价格昂贵，目前主要应用于航天及航空领域。

钛基复合材料可在比铝、镁基复合材料更高的温度下使用，曾引起人们很大的关注。钛基复合材料(TMCs)以其高比强度、比刚度，以及良好的抗高温、耐腐蚀性能，在航空、航天、汽车等领域有着广阔的应用前景。国外对钛基复合材料的研究已有近40年的历史,发展相当迅速，原位合成工艺、纤维涂层等制备技术已经成功用于制备高性能钛基复合材料。钛基复合材料分为连续纤维增强（FTMCs）和颗粒（晶须）增强钛基复合材料（PTMCs）两大类，这两种复合材料都要求基体材料具有较好的力学和加工成形性能。

镍基复合材料是另一种常见的有色金属基复合材料，其优异的高温强度、抗热疲劳、抗氧化和抗热腐蚀性能使其在国内外得到迅速发展，成为制造舰船、航空以及工业燃气涡轮发动机中重要受热部件的重要材料。

金属基复合材料的市场规模及未来展望：

据统计，2022年全球金属基复合材料市场规模约为31.17亿元人民币，预计到2026年市场规模将达到53.62亿元人民币。实际上，金属基复合材料生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家材料科技水平的重要标志之一。在全球范围内，美国是最大的金属基复合材料消费国，英国、日本分别位列二三，三者合计超过消费总质量的2／3，这主要得益于其国防开支大、通用飞机生产实力强。而随着新的材料制备技术的研制成功和廉价增强物的不断出现,金属基复合材料正越来越多地应用于汽车、机械、冶金、建材、电力等民用领域。中国作为全球最大的电子、汽车生产国，轨道交通、航空航天、军工等产业也在迅速发展，预计未来5年金属基复合材料需求增长将更为快速。

 

 

 

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泡沫铝

 

 

泡沫铝，又叫发泡铝，是在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，同时兼有金属和气泡特征，是一种在铝的基础上存在无数个气泡的轻质多孔金属材料，也是一种全新型战略功能结构材料。

 

在1948年美国科学家A.Sonik获得了世界上第一个有关泡沫铝的专利，1951，Eliotte基于Sosnik的设想成功制备出了“泡沫铝”。1999年首届世界泡沫金属学会在德国不莱梅召开，主要研究泡沫铝的制造和应用。直至当前对“泡沫铝”的研究方兴未艾，“泡沫铝”已成为新型结构、功能一体化材料的杰出代表，是当今材料科学研究的前沿热点。

 

泡沫铝性能的优劣主要取决于其孔隙率、孔径、通孔率、孔类型、比表面积等孔结构参数，而其孔结构参数主要取决于制备工艺。

 

• 轻量化：最显著的特点就是它的轻量化，由于其结构特点，造就了它的密度很小，只有0.2~0.4g/cm³，密度为金属铝的0.1-0.4倍，除了要远远低于铝合金、钛合金、钢材等，甚至比木材的密度还要低。整体非常轻盈，让它成为轻量化应用的潜力发展材料之一，比如建材、汽车材料等；

 

• 良好的声学功能：隔声性能(闭孔)：声波频率上800-4000HZ之间时，闭孔泡沫铝的隔声系数达0.9以上；吸声性能(微通孔和通孔):声波频率在125—4000HZ之间时，通孔泡沫铝的吸声系数最大可达0.8，其倍频程平均吸声系数超过0.4。

 

• 色彩、工艺及光学设计自由度高：这种结构的材料并不影响它的CMF设计，表面的处理工艺及色彩方案可以非常丰富，同样可以做喷涂（包括渐变幻彩等效果）、填充等。除了颜色，还可以利用气孔来实现光影变换的设计，设计自由度很高。炫酷的色彩+透光的效果，让产品的外观质感有了极大地提升。

 

 

 

• 易加工：同铝合金一样，泡沫铝也易于加工，比如切割、钻孔等都非常方便，另外如前文所介绍，可以做喷漆来实现不同的色彩；

 

 

• 物理性能及多种性能优越：

 

1）泡沫铝拥有良好的电磁屏蔽性能、热性能（不燃烧及耐热等）：一般铝合金的溶解温度在500-700度左右，泡沫铝即使加热到1400度也不溶解；

2）高比刚度：其抗弯比刚度为钢的1.5倍；

3）还有抗冲击性、环保性等。

 

泡沫铝从问世到现在还不到80年，是一个充满活力的新型材料，产业为朝阳产业。随着新材料战略的正确引领，通过科技研发领域的不断扩大，泡沫铝行业正在进入一个健康的的高速发展期。

 

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海绵钛

海绵钛是一种高纯度的钛金属，一般以灰色和粗粉或多孔形式出现。钛行业是战略性新兴产业中重点培育的新材料行业，作为钛合金的上游，海绵钛基于有利的政策条件实现快速发展。目前我国已经成为海绵钛主要生产国，海绵钛产量已居世界第一。

根据观研报告网发布的《中国海绵钛行业现状深度调研与发展前景预测报告（2023-2029年）》显示，数据显示，2021年全球海绵钛产能为35.00万吨，其中中国海绵钛产能为17.60万吨，占比50.29%；全球海绵钛产量为21.00万吨，其中中国海绵钛产量为12.00万吨，占比57.14%。

海绵钛是钛加工材的原料。钛加工材主要应用于化工、航空航天、船舶、海洋工程、医药、电力等领域。钛加工材生产规模的扩大带动海绵钛需求增长，据数据，2020年海绵钛表观需求量为11.40万吨，较上年同比增长26.7%。2021年我国海绵钛表观需求量为13.30万吨，较上年同比增长16.7%。

目前我国海绵钛产能以低端产品为主，高端海绵钛仍处于紧缺状态。未来随着钛材料的主要下游应用从低端化工、冶金、制盐等相对技术难度较低的行业迅速向高端化工（如PTA设备）和海洋工程行业等中高技术难度的领域转移，将倒逼上游海绵钛供应结构不断改善，高端产能将成为海绵钛厂商竞争优势之一。

 

 

 

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铝锂合金

 

 

 

锂是世界上最轻的金属，密度仅为0.534g/cm³，铝锂合金中每加入1%的锂，可使密度降低约3%，弹性模量提高约6%；锂的加入还能提高铝合金的高周疲劳性能、疲劳裂纹扩展抗力和抗拉强度。因铝锂合金具有密度低、比强度高、弹性模量高、疲劳裂纹扩展速率低、低温性能较好、良好的耐腐蚀性和优异的超塑成形性等特点，目前已成为新一代航空航天发展的重要组成材料。

 

 

• 第一代铝锂合金起源于20世纪50年代，1957年美国Alcoa公司研发了牌号为2020的Al-Cu-Li合金，具有较高的强度，在150~200℃表现出良好的抗蠕变性。

  
  
• 第二代铝锂合金的Li含量较高（1.9%~2.7%），Cu含量低于3%，采用Zr元素替代Mn元素用以细化晶粒，并且不再添加Cr元素以消除其对合金塑性造成不利影响，同时降低Fe、Si含量的方法，用以提高合金塑性韧性。

  
  
• 第三代铝锂合金降低了合金中的Li含量，提高了Cu含量，并通过微合金化元素增加了有效弥散相粒子进而改善弥散强化的效果，使合金各向异性大大降低，强韧性有显著提高。

  
  
• 第四代铝锂合金：2009年，铝锂合金被纳入美国航空航天材料标准，欧美、俄罗斯等航空航天强国相继将高性能铝锂合金列入飞行器结构材料的重点发展方向，铝锂合金进入第四发展阶段。

 

 

因铝锂合金具有优异的综合性能、巨大的开发潜力，因此被认为是21世纪航空航天应用中非常理想的结构材料，在舰船以及兵器工业中也具有潜在的应用空间。目前各国研制成功的铝锂合金系列，一般含锂量为0.3%~3%。

 

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难熔金属

 

难熔金属材料具有高熔点及特有性能,在国民经济中占有重要地位，一直以来作为高新材料加以发展。这类材料由于熔点高、高温强度高，给冶炼加工也带来很大困难，因此大部分难熔合金都采用粉末冶金工艺制造。随着对难熔材料成形复杂结构及降低成本、提高效率的要求,传统的粉末冶金工艺也显示出了其不足：需要昂贵的工装模具、复杂工艺过程，而且难以成形出复杂的三维实体零件。在此情况下，采用增材制造实现难熔金属成型，便成为一种有效途径。

 

材料	钨	钽	钼	铌
熔点(℃)	3400	3000	2600	2470

 

在现有常用的金属增材制造用材料中，熔点较高的应当是金属钛，其熔点达到1660℃，而难熔金属的熔点比之高出1000-2000度，即便采用激光成型，也存在一定困难，所以使用也比较少。随着激光成型设备的升级、制粉工艺的进步以及材料使用需求的不断提高，对难熔金属进行激光成型逐渐被开展，到目前为止，也已经取得了很大进步。

 

• 钨及钨合金：钨的熔点高达3400°C，是熔点最高的金属材料，高温强度和抗蠕变性能以及导热、导电和电子发射性能都好，比重大，除大量用于制造硬质合金和作合金添加剂外，钨及其合金广泛用于电子、电光源工业，也在航天、铸造、武器等部门中用于制作火箭喷管、压铸模具、穿甲弹芯、触点、发热体和隔热屏等。

 

 

• 铌基合金：铌合金具有良好的抗血液腐蚀的能力,可制作血管支架；同时由于其比重小、强度高、韧性好、易焊接等优点，也是制造航空航天高温部件的重要材料。纯铌的熔点为2470℃，但针对纯铌的3D打印工艺开发笔者未能找到相关报道。

 

 

• 钽：多孔钽也被称为小梁金属,在医疗领域已安全己使用多年,它不与起搏器电极箔发生相互作用，不透过X射线,可用于颅骨修补。近年来, 钽棒已被用作全髓关节和膝关节植入物、脊椎关节植入物和骨坏死的早期治疗。钽金属属于难熔金属，熔点高达2996 ℃，其3D打印工艺难度大，对粉体性能、激光熔化参数、设备稳定性、铺粉质量、打印精度等要求很高。

 

 

• 钼：钼具有极好的物理、化学和机械性能,常被用作玻璃加工、航空航天和高性能电子部件材料。相比于其它难熔金属, 钼的密度要低得多,这表明钼的比强度较高,为要求减重应用的场合带来实效。

 

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无磁不锈钢

无磁钢按使用性能划分，可分为奥氏体无磁不锈钢和无磁结构钢。本期对无磁不锈钢做详细介绍，下期介绍无磁结构钢。

奥氏体不锈钢自1913年在德国问世以来，其成分主要在18-8不锈钢基础上进行演变，被广泛应用于要求材料具有抗氧化和耐腐蚀性能的场合。

由于奥氏体在室温下表现为顺磁性，因此，部分奥氏体不锈钢也可以作为无磁或低磁不锈钢使用，以防止精密零部件生锈导致的磁导率升高，干扰磁场，并对周围零件产生进一步侵害。

 

 

 

随着低温超导、电子仪表、海洋工程等行业的快速发展，钢铁材料的服役环境日益复杂，一些精密零部件或特种装备可能要求材料同时具备良好的无磁性、耐蚀性、抗氧化性以及力学性能，这则需要设计和研发专门的无磁不锈钢新品种，以满足不同的使用要求。

 

 

 

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航空钢材

 

 

 

全球航空航天材料市场预计到2022年将达到258亿美元，这是一个快速增长的庞大市场，目前高端新材料基本上被美国和欧洲垄断着。

 

 

航空航天材料是指飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是航空航天工程技术发展的决定性因素之一，航空航天材料科学也是材料科学中富有开拓性的一个分支。航空航天材料有具有优良的耐高低温性能以及耐老化和耐腐蚀性能，能适应空间环境。

 

 

 

对于航空材料来说，包括3大类材料：飞机机体材料、发动机材料、机载设备材料。而航天材料则包括运载火箭箭体材料、火箭发动机材料、航天飞行器材料、航天功能材料等。

 

 

航空航天材料有具有优良的耐高低温性能以及耐老化和耐腐蚀性能，能适应空间环境。在现代飞机结构中，钢材用量稳定在5%~10%的水平，而在某些飞机上，例如超音速歼击机上，钢材是一种特定用途的材料。 高强钢通常使用在要求有高刚度、高比强度、高疲劳寿命，以及具有良好中温强度、耐腐蚀性和一系列其他参数的结构件中。无论是在半成品生产中，还是在复杂结构件的制造中，尤其是在以焊接作为最终工序的焊接结构件生产中，钢材都是不可替代的材料。

 

 

 

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非晶合金

 

我国的非晶合金研发起步于20世纪70年代，当时美国、日本、苏联，以及德国、英国等欧洲国家是这个领域最活跃的国家。目前，日本和欧洲杰出科学家大多都已经退休，高水平后继者远不如以前多，技术和水平已逐渐落后。美国非晶合金材料领域研发经费较少，缺乏优秀的年轻科学家和技术队伍；目前，美国主要侧重非晶合金基础物理、模拟和机理研究，而应用探索主要集中在航空航天等高技术领域。目前，我国的非晶合金科研人员占全球2/3，年轻研究人员水平越来越高，研发水平已超过日本和欧盟，与美国相当，成为世界第一梯队。例如，迄今已在36个金属元素为基体的合金中找到能制备块体非晶合金组分，其中我国发现28个。

 

 

特别是近10年来，无序合金最重要的进展是研发出高熵合金。高熵合金是根植于熵调控设计思想开发出的化学成分复杂、没有主元素、结构有序、成分无序的无序合金材料，其极大拓展了材料开发的空间。高熵合金已展现出诸多奇特超凡的性能，其研究及应用已成为金属材料领域的研究热点。很多国外开发的高熵合金有明显的军事装备需求的应用导向。我国台湾地区的科研人员，在非晶合金基础上首先研发出高熵合金，引领了无序合金领域的发展。我国无序合金研发能够跃升国际一流是与我国科技投入的不断增加、基础研究的长期积累、制造业大国对新金属材料的产业需求，以及后备年轻人才辈出（国内培养和海外归国）密切相关。非晶合金领域基础研究的长期积累为这类新材料的工业应用提供了支撑和动力。同时，相关的基础研究也从工业应用中汲取问题来源和进步源泉。

 

 

非晶合金的主要应用场景：

 

 

作为结构和功能一体化的新型金属材料，非晶合金产业化前景非常广阔。美国、日本、德国等国投入大量资金拓展其应用场景，并推动相关产业发展。美国液态金属科技、玻璃金属科技，日本日立金属，德国VAC，以及我国宜安、台一科技等公司在非晶合金领域的研发水平、市场竞争力及产业规模均处全球领先水平。目前，非晶合金的主要应用领域有4个。（1）高性能结构材料。（2）软磁材料。（3）催化材料。（4）制造业基础材料。

 

 

非晶合金材料产业化的挑战和机遇：

 

 

在很多科研成果的产业转化过程中都会因各种因素造成其失败，即在转化过程中存在“死亡谷”（图3）。在非晶合金领域，我国相关专利申请量全球排名第一，但还缺少具有国际水平的龙头企业。虽然我国拥有庞大的非晶合金应用市场，但目前正在使用的材料多是基于国外早期开发的体系，很多国内研发的新非晶合金体系没有得到规模应用。国内强大的实验室非晶合金的研发能力和企业、市场关联性不强。在过去的十几年，我国块体非晶合金大规模工业应用的瓶颈一直没有被突破。

 

非晶合金科研成果的成功市场转化需要人才、技术、资本、管理方面的有机结合。国内已有十几年的非晶合金基础和应用研究积累，有蓬勃发展的、最健全的制造业和较低的产业化门槛，新一代块体非晶合金的应用研究极有可能在中国取得突破性进展。例如，广东的松山湖材料实验室聚集各种创新转化的充足资源，包括人才、资本、产业集群，还有政府支持的新机制和灵活的政策等，形成一种健康的、有利于科技成果产业化的优越环境；期待能和相关企业一起共同开发出面向第三代半导体电子元件的高频软磁、柔性齿轮、高性能3C器件等非晶合金材料。

目前，用于器件电源和电感的软磁材料饱和磁感低、高频损耗高，这严重制约了氮化镓、碳化硅等第三代半导体电子元件提高功率密度和工作频率，使其优势难以充分发挥。研制匹配第三代半导体器件功率密度和工作频率的软磁材料，有望促进第三代半导体在大功率、高频器件中的应用，进而推动5G通信基站、卫星通信、雷达航空、智能汽车等关键领域的发展。同时，国内相关研究所、大学也在和宜安、台一、青岛云路等国内企业合作，努力把非晶合金、高熵合金推向绿色节能、环保，以及超灵敏的探测器和传感器材料、航天材料、机器人等应用领域。

 

 

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特殊钢

 

特殊钢，是指那些由于成分、结构、生产工艺特殊而具有特殊物理、化学性能或者特殊用途的钢铁产品，属于传统钢铁产业的一个分支，与普钢相对但两者的用途有着较大差别。

 

 

特殊钢是在冶炼过程中加入了较多的合金元素及采取了特殊的生产、加工工艺，特钢的化学成分、组织结构以及机械性能均优于一般钢铁。其晶粒的复杂性高过一般钢铁，从而获得更多的应用领域，故在汽车、机械、化工、船舶、铁路、航空航天、国防军工等对钢材质量要求较高的领域得到广泛。