隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，納米晶金屬材料廣泛應(yīng)用到工業(yè)的各個領(lǐng)域，無論是從技術(shù)還是性能都優(yōu)于傳統(tǒng)金屬，堪稱工業(yè)領(lǐng)域的殺手锏，為了普及納米晶金屬材料科普知識，了解相關(guān)的先進技術(shù)及發(fā)展趨勢，中國腐蝕與防護網(wǎng)記者有幸采訪到中國科學(xué)院金屬研究所王勝剛研究員。
 

王勝剛研究員

　中國科學(xué)院金屬研究所（以下簡稱“金屬所”）是新中國成立后中國科學(xué)院新創(chuàng)建的首批研究所之一，在納米晶體金屬材料研究與材料的腐蝕防護中頗具權(quán)威。

　納米晶金屬材料是工業(yè)各領(lǐng)域的殺手锏

　1984年德國科學(xué)家H. Gleiter首次提出了納米金屬材料的的概念，世界各國科學(xué)家從此開始投身于納米晶金屬材料的研究熱潮。 據(jù)王研究員介紹，在研究初期，塊體納米晶金屬材料制備成本非常昂貴而且制備的樣品很小。對于需要大尺寸和一定厚度的實驗樣品，如拉伸、疲勞和摩擦磨損以及腐蝕等實驗難以進行。為此，有的科研工作者將納米晶金屬材料研究對象轉(zhuǎn)向納米晶金屬薄膜和金屬表層納米化材料，有的科研工作者提出大尺寸納米晶金屬材料制備技術(shù)，如非晶晶化，嚴重塑性形變等方法。這些塊體納米晶金屬材料制備方法在解決納米晶金屬大尺寸和低成本方面做出了貢獻。當(dāng)時，國內(nèi)外大學(xué)和科研院所已經(jīng)有眾多的研究組開展納米晶金屬材料的研究。在人員、經(jīng)費、工作基礎(chǔ)和學(xué)術(shù)影響力等方面與其它課題組相比，王研究員所在的課題組處于劣勢。

　王研究員回憶，當(dāng)還是博士生時跟隨龍期威研究員做課題，在此之前，課題組也沒有制備塊體納米晶金屬材料方面的工作經(jīng)驗。恩師龍期威研究員在塊體納米晶金屬材料制備方面積累了一些理論性工作。2000 年，在恩師龍期威研究員的指導(dǎo)下，課題組開始了制備塊體納米晶金屬材料方面的研究。采用常規(guī)軋制設(shè)備，利用深度軋制技術(shù)首先成功制備了納米晶工業(yè)純鐵板材，深度軋制技術(shù)申請了國家發(fā)明專利。此技術(shù)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)，并不是對當(dāng)時國內(nèi)外塊體納米晶金屬材料制備技術(shù)跟蹤與模仿。
 

    納米晶鋁合金板材
 

　2001年龍期威研究員去世以后，王研究員帶領(lǐng)課題組繼續(xù)負責(zé)開展深度軋制技術(shù)制備塊體納米晶金屬材料及其相關(guān)性能與機理方面的研究。王研究員說，能夠堅持開展深度軋制技術(shù)制備塊體納米晶金屬材料的工藝、塊體納米晶金屬材料相關(guān)性能及其機理研究一直到現(xiàn)在，對這項工作的執(zhí)著來源于深度軋制技術(shù)產(chǎn)業(yè)化前景和納米晶金屬材料多種性能的同時提高。

　國際納米晶金屬材料著名學(xué)者俄羅斯R. Z. Valiev 教授認為，傳統(tǒng)的壓力加工設(shè)備不能制備塊體納米晶金屬材料。而王研究員課題組提出的深度軋制技術(shù)恰恰是利用傳統(tǒng)的壓力加工設(shè)備制備出塊體納米晶金屬材料（目前制備出納米晶工業(yè)純鐵、304不銹鋼、1Cr13、工業(yè)純鋁和3003鋁合金板材）。這種制備技術(shù)并不是單獨為提高金屬材料某一種機械性能提出。深度軋制技術(shù)制備的塊體納米晶金屬板材能夠同時提高同一種金屬材料多種不同性能，如力學(xué)（拉伸和疲勞等）、腐蝕、高溫氧化和摩擦磨損等，也可以提高不同材料同一性能。

　據(jù)王研究員介紹， 深度軋制技術(shù)制備的塊體納米晶金屬材料的優(yōu)勢在于：（1） 深度軋制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，且成本低；（2） 深度軋制技術(shù)能夠制備多種納米晶金屬材料，如碳鋼、不銹鋼、鋁合金等；（3） 深度軋制技術(shù)制備的塊體納米晶金屬多種性能（如力學(xué)、腐蝕和摩擦磨損等）同時提高。

　這項工作的意義在于：（1） 深度軋制技術(shù)通過提高金屬材料的綜合性能，可以提高金屬加工企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高金屬產(chǎn)品市場競爭力和附件值；（2） 深度軋制技術(shù)是同時提高金屬材料多種性能有效的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)方法；（3） 塊體納米晶金屬材料的綜合性能提高能夠減少設(shè)備或器件體積和重量、提高金屬材料的服役壽命、增加有效載荷和降低能耗等。對于大量使用金屬材料的行業(yè)，如汽車、電力（包括核電）、化工、船舶、鐵路、機械行業(yè)的節(jié)能、環(huán)保、降低成本和提高效率方面具有廣泛的應(yīng)用前景；（4） 深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬材料不僅室溫時不同性能同時提高，還具有高溫化學(xué)穩(wěn)定性，如抗高溫氧化和熔鹽腐蝕性能提高，應(yīng)用范圍可以擴展到高溫領(lǐng)域。

　針對不同行業(yè)正在服役或者使用的金屬材料，在不改變原有材料的化學(xué)成分前提下，可以利用深度軋制技術(shù)提高這些金屬材料的力學(xué)（拉伸和疲勞等）、腐蝕（溶液、熔鹽和高溫腐蝕性氣體等）和磨損等性能。提高服役壽命、增加有效載荷、提高器件或者設(shè)備輕量化、降低能耗、減少由于機械性能和腐蝕性能降低引起的維修成本等方面發(fā)揮作用。

　納米晶金屬材料制備技術(shù)秉承產(chǎn)業(yè)化理念

　在納米晶金屬材料制備技術(shù)方面，王研究員所在的課題組，一直秉承制備技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化理念。這不同于多數(shù)研究者采用目前流行或者認可的納米晶金屬材料制備技術(shù)制備納米晶金屬材料，開展相關(guān)研究工作。深度軋制技術(shù)是結(jié)合金屬材料加工企業(yè)實際生產(chǎn)條件提出的，并非實驗室技術(shù)到產(chǎn)業(yè)化技術(shù)過渡。雖然在從事納米晶金屬材料研究期間，已經(jīng)有國際同行認可的很多納米晶金屬材料制備技術(shù)，但是王研究員課題組并沒有采用已有的制備方法開展而是自主研發(fā)自己的塊體納米晶金屬材料技術(shù)，提出可產(chǎn)業(yè)化的制備技術(shù)。雖然提出的制備技術(shù)及其相關(guān)基礎(chǔ)研究工作，與目前塊體納米晶金屬材料研究的主流方向不同，在發(fā)表文章和申請項目等方面處于劣勢。但是，隨著時間推移和工作進一步深入以及實際工程需求，深度軋制技術(shù)的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來。

　納米晶金屬材料基礎(chǔ)研究方面，課題組注重辯證地學(xué)習(xí)和吸取公開發(fā)表的論文、教材和專著等提供的相關(guān)實驗結(jié)果和理論，注重研究已發(fā)表論文中材料加工、實驗方案、材料微觀結(jié)構(gòu)表征和相關(guān)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。王研究員說，我們更注重在多個實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，提出一定范圍內(nèi)具有的普適性結(jié)論或者觀點，這樣的結(jié)論或者觀點更有利于指導(dǎo)和引領(lǐng)未來納米晶金屬材料基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。我們研究納米晶和普通304不銹鋼板材高溫氧化時，發(fā)現(xiàn)納米晶304不銹鋼抗高溫氧化性能提高，但我們并沒有利用現(xiàn)有關(guān)于納米晶金屬材料抗氧化性能提高的機制解釋實驗結(jié)果。大多數(shù)高溫氧化方面的工作只注重恒溫氧化過程動力學(xué)過程，而我們考慮了從升溫到恒溫氧化的全過程，不僅得到恒溫氧化動力學(xué)曲線，也得到了升溫過程氧化動力學(xué)曲線。后來發(fā)現(xiàn)，實驗結(jié)果與現(xiàn)有的納米晶金屬材料高溫氧化的觀點不符。我們并沒有將現(xiàn)有的理論勉強去附和我們的實驗結(jié)果，而是利用三年時間提出了從材料價電子結(jié)構(gòu)和氧化膜電子結(jié)構(gòu)角度解釋了實驗結(jié)果。雖然當(dāng)時價電子結(jié)構(gòu)表征方面實驗工作人員對我們提出的實驗方案不理解，但是我們堅信我們的方向是對的。后來的實驗結(jié)果證明，我們的思路是正確的。這部分工作投到 Corrosion Science 后，只是修改與此期刊不符的某些格式要求后就直接接受發(fā)表。

   本征參量是理解金屬材料性能和規(guī)律的關(guān)鍵

　材料科學(xué)是一門應(yīng)用性很強的工程科學(xué)。材料科學(xué)研究工作最終目的是科研成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用或者在金屬材料冶煉、加工、改性、服役和表征等方面提出具有可操作性的改進建議或者方法，而不是停留在科研論文層面。因此，對于有望能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的研究工作應(yīng)重點關(guān)注和扶持。對于國際熱點，但是未來的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化難以預(yù)測的領(lǐng)域，應(yīng)該謹慎支持?；仡櫜牧峡茖W(xué)研究發(fā)展歷史，雖然國家投入大量人力和物力從事某些說謂國際熱點研究領(lǐng)域，但是人們無法也很少考慮基礎(chǔ)研究的應(yīng)用問題，到最后還是以基礎(chǔ)研究收場，這樣的例子很多。目前國內(nèi)外的材料科學(xué)研究方式一般以性能為主線，研究不同材料的某一種性能，如力學(xué)性能、腐蝕、摩擦磨損和加工性能等。但是，金屬材料服役過程中，由于實際工況比較復(fù)雜多變，對金屬材料的性能要求往往是多方面的。因此，以性能為主線往往對同一材料不同性能的研究缺乏溝通或者人為設(shè)定障礙。這樣做的后果不利于金屬材料的實際應(yīng)用。因此，材料科學(xué)研究如果以材料進行分類或許比材料性能分類似乎更為合理和科學(xué)。王研究員課題組從事納米金屬材料制備和相關(guān)性能研究過程中，對于某一具體材料而言，會最大限度接近不同實際工況條件同時開展不同性能及其機理的研究工作。雖然這種科研模式涉及不同性能、與不同性能相關(guān)的基礎(chǔ)知識和理論框架、不同領(lǐng)域的研究進展，這會導(dǎo)致科研人員的工作量增加和解決本專業(yè)以外的問題難度加大。但是這樣做的優(yōu)勢在于：（1） 有利某種材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；（2） 有利于金屬材料不同性能之間的協(xié)調(diào)和貫通；（3） 在這些研究工作基礎(chǔ)上，可能會發(fā)現(xiàn)更為普適的規(guī)律或者理論。

　　    在材料科學(xué)研究過程中，對于新的實驗結(jié)果不同于傳統(tǒng)的或者公開發(fā)表的實驗結(jié)果，盡量避免運用現(xiàn)有理論解釋和附和新的實驗結(jié)果。雖然利用現(xiàn)有理論解釋新的實驗結(jié)果更容易發(fā)表論文，但王研究員的課題組不提倡這樣做。對于材料某一性能提出的機理或者理論模型，盡量避免采用假設(shè)性的前提。例如，對于納米晶金屬材料抗高溫氧化機理，很多學(xué)者認為是由于納米晶金屬材料晶界多，易氧化元素（如鋁和鉻）在晶界處擴散加快，引起納米晶金屬材料快速形成氧化膜所致。這一結(jié)論邏輯關(guān)系沒有問題。如果這個結(jié)論成立，需要提供易氧化元素在納米晶金屬材料晶界擴散速度快和金屬材料氧化速度明顯高于相應(yīng)普通金屬材料的實驗證據(jù)。如果缺乏支撐某一結(jié)論的實驗證據(jù)，雖然某一理論在邏輯關(guān)系上合理，但這個結(jié)論仍然是值得推敲。

　材料科學(xué)研究中，人們經(jīng)常通過只改變溫度、晶粒尺寸、應(yīng)變或者化學(xué)成分等參量，其他參量不變時，研究這一參量對金屬材料某一性能的影響。實際上，如果是針對某些實際工程需要的研究工作，這樣做是無可厚非。如果試圖通過這種方式研究這些參量對某性能的影響規(guī)律值得商榷。例如，自從出現(xiàn)納米晶金屬材料以來，人們開展了大量的金屬材料晶粒尺寸對腐蝕性能（電化學(xué)腐蝕、高溫氧化和熔鹽腐蝕等） 影響的工作。大量實驗結(jié)果表明，與相應(yīng)的普通金屬材料相比，有的納米晶材料的耐腐蝕性能提高，而有的納米晶金屬材料耐腐蝕性能降低。力學(xué)方面，金屬材料的強度與晶粒尺寸存在 Hall-Petch 關(guān)系。但是，隨著晶粒尺寸減少到納米量級，會出現(xiàn)反Hall-Petch 關(guān)系。金屬材料其他性能方面也存在同樣的現(xiàn)象。這主要是由于一下原因：（1） 改變晶粒尺寸的方式有多種，相同的晶粒尺寸可以通過不同的處理方式獲得，利用不同方式獲得的相同晶粒尺寸的金屬材料其微觀結(jié)構(gòu)是不同的；（2） 即使相同晶粒尺寸的金屬材料由于其晶粒尺寸分布不同，其微觀結(jié)構(gòu)也不同。因此，如果從理論上研究晶粒尺寸對金屬材料腐蝕性能的影響，不會得到一致和統(tǒng)一性的結(jié)論。對于其他傳統(tǒng)的材料參量，如殘余應(yīng)力和化學(xué)成分等也會出現(xiàn)類似情況。

　王研究員說，這些實驗事實告訴我們，研究金屬材料性能的變化規(guī)律需要選擇合適的變化參量。這個參量我們稱之為某種性能的本征參量。只有這樣，才能得到一致的或者統(tǒng)一的結(jié)論，避免引起理論和思維上的混亂。我們相信不遠的將來，這方面工作會明顯進展。

   產(chǎn)業(yè)化、多種性能同時提高是塊體納米晶金屬材料制備的發(fā)展方向

　從1984年算起，納米晶金屬材料研究工作已經(jīng)走過了32年。雖然世界各國投入了巨資開展了納米晶金屬材料的研究，但目前還沒有看到成熟的或者可靠的塊體納米晶金屬在國民經(jīng)濟不同領(lǐng)域中應(yīng)用。這對納米晶金屬材料研究提出了挑戰(zhàn)。塊體納米晶金屬材料制備技術(shù)在未來的納米晶金屬材料基礎(chǔ)研究及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有關(guān)鍵性作用。目前的納米晶金屬材料制備技術(shù)多數(shù)為實驗室技術(shù)。有的實驗室制備技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化需要走很長的路，有的實驗室制備技術(shù)目前看不到產(chǎn)業(yè)化前景。在納米晶金屬材料基礎(chǔ)研究方面，納米晶金屬材料的許多性能不同相應(yīng)的傳統(tǒng)多晶金屬材料，人們往往注重發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象和結(jié)果、運用已有理論盡可能地解釋納米晶金屬材料的相關(guān)結(jié)果，缺乏在納米晶金屬材料新現(xiàn)象和實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的新理論和新觀點。這會導(dǎo)致納米晶金屬材料基礎(chǔ)研究迷失方向，阻礙納米晶金屬材料研究健康發(fā)展。制備技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化并且低成本、納米晶金屬材料多種性能同時提高，應(yīng)該是未來塊體納米晶金屬材料發(fā)展方向。

 

　中國科學(xué)院金屬研究所簡介

　中國科學(xué)院金屬研究所（以下簡稱“金屬所”）成立于1953年，是新中國成立后中國科學(xué)院新創(chuàng)建的首批研究所之一，創(chuàng)建者是我國著名的物理冶金學(xué)家李薰先生。金屬所是涵蓋材料基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和工程化研究的綜合型研究所。主要學(xué)科方向和研究領(lǐng)域：納米尺度下超高性能材料設(shè)計與制備、耐苛刻環(huán)境超級結(jié)構(gòu)材料、金屬材料失效機理與防護技術(shù)、材料制備加工技術(shù)、基于計算的材料與工藝設(shè)計、新型能源與生物材料等?；A(chǔ)研究方面擁有沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室和金屬腐蝕與防護實驗室；應(yīng)用研究方面擁有沈陽先進材料研究發(fā)展中心、材料環(huán)境腐蝕研究中心；工程化研究方面擁有高性能均質(zhì)合金國家工程研究中心和國家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心。

　截至2014年底，金屬所有工作人員1700余人，其中兩院院士7人，正高級專業(yè)技術(shù)人員169人，副高級專業(yè)技術(shù)人員304人，國家杰出青年基金獲得者16人。15人在26個國際學(xué)術(shù)組織任職，26人在51種國際學(xué)術(shù)期刊任職，國家“千人計劃”入選者3人、“萬人計劃”入選者4人，中科院“百人計劃”入選者40人。現(xiàn)有材料科學(xué)與工程1個一級學(xué)科博士生培養(yǎng)點和碩士生培養(yǎng)點，包含材料物理與化學(xué)、材料學(xué)、材料加工工程、腐蝕科學(xué)與防護4個二級學(xué)科博士、碩士生培養(yǎng)點，材料科學(xué)與工程1個一級學(xué)科博士后流動站。在學(xué)研究生715人（碩士生302人、博士生413人），26人榮獲中科院院長獎學(xué)金特別獎。

　金屬所已累計獲得科技成果獎400余項，其中國家級獎項90余項，包括國家科技進步特等獎、國家自然科學(xué)、國家技術(shù)發(fā)明和國家科技進步一等獎等，2010年金屬所名譽所長師昌緒院士獲得國家最高科學(xué)技術(shù)獎。編輯出版《金屬學(xué)報》（中、英文版）、《材料科學(xué)與技術(shù)》（英文版）、《材料研究學(xué)報》、《中國腐蝕與防護學(xué)報》、《腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)》等學(xué)術(shù)期刊。

    人物簡介

　王勝剛，研究員，碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)就職于中國科學(xué)院金屬研究所。2011年獲中國腐蝕與防護學(xué)會優(yōu)秀論文獎特等獎。研究方向：（1） 塊體納米晶金屬材料制備技術(shù)（2） 塊體納米晶金屬材料的化學(xué)與機械性能（腐蝕、高溫氧化，摩擦磨損）（3） 塊體納米晶金屬材料的物理性能（力學(xué)、熱力學(xué)）（4） 金屬材料物理與化學(xué)性能之間的關(guān)系及其本征結(jié)構(gòu)表征。科研項目：    深度軋制技術(shù)制備塊體納米晶金屬板材產(chǎn)業(yè)化工藝、 深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬板材的腐蝕性能、力學(xué)性能以及其他相關(guān)的其他物理與化學(xué)性能。

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責(zé)任編輯：班英飛

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