金属新材料以高温合金、稀土永磁、金属基复合材料等为代表，表现出高强度、高韧性、优良的耐热性及导电传热性等超强性能，在高端装备制造领域具有不可替代的作用。金属新材料已经成为世界主要制造业国家的竞争焦点，掌握金属新材料技术主动权，对于突破关键核心零部件，加快推动制造业高质量发展具有极其重要的意义。

一、金属新材料呈现“三高三低”的新特征

1. “三高”：高性能、高适应性、高智能化

  为了满足现代装备日益提升的功能需求，需要相应提升材料的性能。在力学性能方面，金属新材料通常具备更高的强度、硬度、延展性等力学特性。例如，汽车用钢近年来已从一般钢铁发展为先进高强钢，强度可达到500～1500MPa，比传统材料提升了60%～400%，且具有较强的吸能性，在碰撞中可以起到缓冲作用。在物理化学性能方面，为了配合新一代信息技术、新能源等产业的发展需求，金属新材料的磁性、导电性等物理和化学性能逐渐提升。例如，稀土永磁材料尤其是烧结钕铁硼（Nd-Fe-B）成为迄今为止磁性最强的永磁材料，磁力是铁氧体的3～5倍，稳定性和磁力可控性强。在风力发电、智能机器人和混合动力汽车等领域用途广泛。

  为了应对恶劣和复杂的服役环境，需要更加强调材料的环境适应性。航空航天壳体结构、飞行器本体结构等高端装备需要具备耐高温、耐腐蚀、良好的尺寸稳定性等特征的材料，以适应复杂的服役要求。近年来，人们将高温合金作为研发重点。镍基、钴基高温合金能在650～1000℃范围内保持较高的强度、抗疲劳能力和良好的抗氧化、抗腐蚀能力。此外，还可在金属中加入增强相，打造复合材料。例如，碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近于零的热膨胀系数，尺寸稳定性良好，可用于制作人造卫星支架、天线、空间望远镜等；碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能，是高推重比发动机的理想结构材料。

  为了精准控制材料的组织性能，需要在设计和成型工艺中体现智能化。随着计算机数值模拟、材料数据库、神经网络等技术不断完善，对材料组织性能的精准预测产生重要影响，驱动金属新材料的制备实现智能化、定制化。其中最具代表性的是材料基因工程，可以对元素周期表中的元素特性、结构进行统计，通过大数据分析预测材料性能，并快速获得符合要求的新材料。由于新材料性能的不断提升，与之相配套的成型技术也需要跨越式的发展。通过计算机控制加工技术，将工艺参数优化，提供数据方案，可以提升产品生产率和工艺可靠性，延长设备使用寿命，增加可追溯性；在质检过程加入智能检测，可以提升良品率，增加利润率。目前，精密喷射成形设备、焊接机器人等设备已成功研发并实现产业化应用，推动材料企业生产智能化和产品智能化。

2.“三低”：材料密度低、加工频次低、环境影响低

  为了顺应电动汽车等装备的轻量化需求，需要关注材料的低密度改造。一是设计密度更低的新材料。例如，铝、钛、镁等金属密度较低，将这些轻质金属加入高强钢中替代镍或铬，可以显著提高汽车用钢的比强度（强度与密度之比）。二是制备多孔材料降低密度。金属多孔材料可作为夹芯制备蜂窝夹层结构，或是根据结构特点直接应用。目前，3D打印等技术可以降低制备金属多孔材料的难度。金属多孔材料的孔洞尺寸可低至0.15mm，传统工艺很难构建出来，而3D打印可以突破成型壁垒。

  为了提高材料利用率，需要减少加工频次的新型材料加工工艺。目前，最有发展前景的工艺的是增材制造技术。通过选择性激光烧结（SLS）、激光熔覆沉积（LCD）、3D打印、电子束熔融（EBM）等技术，可将材料成型技术的精密程度提升至新的高度，省去了铣、刨、磨等再加工工序，大幅缩短工时，大规模应用后还可显著降低成本。例如，美国航空发动机制造龙头企业普惠公司将增材制造技术用于发动机的镍基合金和钛合金部件的研制，不但取得与传统工艺相同的部件性能，还大大缩短了制造周期，提升了复杂几何结构的制造精度，将原材料消耗降低了50%，有效提高部件的质量，降低制造成本。

  为了避免对环境的污染，需要在材料冶炼和加工过程中降低环境影响。一是淘汰高污染的金属冶炼过程。通过开展电机系统、锅炉（窑炉）节能改造和能量系统优化，推广应用节能、节水工艺技术和设施装备，采用新工艺减少重金属排放和废渣产生量等方式，实现“三废”综合治理利用。例如，通过溶剂浸出技术、离子交换法、沉淀法等方式，可以极大降低冶炼废渣中金属的浪费。二是建立新材料的循环体系。一方面，着力发展“城市矿产”，利用物联网、信息通讯等先进技术分析废弃物回收利用情况，通过自建网络或利用社会回收平台，形成覆盖面广、效率高、参与广泛的专业回收网络。另一方面，重新设计产品，使其便于回收环节的拆卸过程。

二、金属新材料在技术研发和应用推广中的不足

1.研发与需求不匹配：高校、科研院所的技术研发对应用需求了解不深入，造成创新成果与产业需求有错位

  我国金属新材料的成分设计及技术创新通常由高校和科研院所作为研究主体，高校和科研院所对金属新材料的研究又往往集中在基础研究领域，对下游的实际需求了解不够，导致产业化应用的技术创新较少。以非晶合金为例，虽然我国非晶合金的文章发表量极高，2017年在SDOL数据库收录的与非晶合金相关的588篇文章中，来自我国大陆的文章高达45.7%，研究多集中在材料机理方面，而对如何提升非晶合金零部件加工性能等实际应用需求，则鲜有提及。在国际上，企业在前沿技术创新中承担了重要角色，创新成果能够瞄准行业需求，快速实现产业化应用。

2.数字化方法应用少：材料设计、成型的创新方法上，数字化、智能化的方式少，创新效率相对低

  在美国、德国等新材料技术领先的国家，第一性原理、蒙特卡洛法等数字化模拟、设计方法已经在广泛推广应用，大幅提高研发创新效率。而我国的金属新材料的设计方法与观念仍较为落后。如，在欧美国家，复合材料的结构设计和试验验证普遍采用“积木式方法”（BBA），在分析过程中逐步增加试件的尺寸和复杂程度；并通过有限元（FEM）等模拟技术建立许用值与优化模型，保证对复合材料复杂结构计算结果的可靠性。而我国对复合材料的设计方法仍停留在过去，少有先进的计算方法介入。即便采用计算机模拟技术，由于对材料的耐疲劳性、稳定性等方面缺乏成体系的研究方法，导致计算模拟结果与实际差异过大，难以真正投入应用。

3.产业化推广遇瓶颈：创新成果转化机制不健全，导致金属新材料成果新产品在推广中碰壁

  我国企业和高校、科研院所的新材料成果缺乏转化机制，不能快速转化为市场产品。即便是转化为产品，由于生产成本、应用风险等因素限制，难以得到市场的认可和接受。以增材制造为例，虽然近几年我国增材制造相关专利申请处于快速发展期，但是设备及耗材种类有限，价格昂贵，导致规模化量产难以推广。而在美国，国家增材制造创新机构（NAMII）与洛克希德·马丁等一批企业加强合作，开展了31个增材制造应用研究项目；卡朋特等公司设计了增材制造专用钛粉、高温合金粉末；洛克希德·马丁、NTi等公司加快规模化应用，为航空航天及军工领域提供零部件，形成一个从研发、设计到产业化推广机制。

三、对策建议

1.加强研发、设计、生产、服务等上下游各环节合作

  一是通过共建金属新材料技术创新中心等形式，加强企业技术研发中心、高校、科研院所之间的战略合作，加快形成以应用方为主导带动合作的机制。二是充分发挥企业的创新主体作用，开展材料生产企业和应用企业的联合攻关，加强对进口基础金属材料的技术引进和消化吸收。三是促进专业化分工和社会化协作，在金属新材料领域，加快培育一批具有国内影响力的研发与设计服务类企业，为下游应用商提供新材料设计服务。

2.加快大数据、云计算等新技术方法在研发中的普及

  一是推动材料基因工程建设，推广材料基因工程实验技术和装备，整合研究数据资源，建设金属新材料数据资源库，加强材料基因工程基础建设。二是搭建数字化、集成化的创新共享平台，在科研机构、高校、企业技术中心中加快高通量材料模拟计算工具和方法的推广。三是鼓励企业积极应用互联网、云计算、人工智能等现代技术，重视收集大数据，建立数据库平台，将材料制备及工艺领域的大数据集成应用。鼓励龙头企业建设工业大数据平台，为企业和行业服务。

3.健全完善重点新材料首批次应用保险补偿、优惠机制

  一是健全完善金属新材料“首批次”应用示范支持机制，加快重点新材料产业化和市场化培育，并将经验逐渐推广至其他前沿新材料领域。二是鼓励保险公司创新险种，对重点新材料产品的应用推广提供质量、责任等风险承保，保护下游企业使用金属新材料的积极性。三是健全完善新材料产业相关企业税收优惠政策，加大对新材料产业发展的融资支持，支持优势新材料企业实现创新成果产业化和推广。

4.深化创新、市场、资本、人才等领域的国际合作

  一是用好国际创新资源。促进国际创新资源的利用与整合，鼓励国外企业和科研机构在我国设立新材料研发中心，寻求企业更高效的发展途径。二是用好国际产品市场。贯彻落实“一带一路”倡议，支持有条件的企业参与全球经济合作和竞争，拓宽金属新材料国际应用市场，加快新产品推广应用。三是用好国际金融资本，加强与国际金融机构的合作，开辟更多的融资渠道，为金属新材料企业保驾护航。四是用好国际人力资源。建立引进国外智力资源的渠道，促进金属新材料人才团队、管理经验等领域的交流合作。