金屬材料的未來

　　材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎。上世紀70年代，人們把信息、材料、能源作為社會文明的支柱。隨著高技術的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術***的重要標志。如今，材料已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。　　在工程領域，上世紀50年代的工程材料以金屬材料為主，但由于其比強度及比剛度較低，金屬材料在當今工程結構材料中所占的份額日益減少。在把重量作為主要考慮因素的應用領域，例如航空及運動器材等，金屬逐步被其他輕質高強材料所替代。　　在這種趨勢下，未來金屬材料是否會被其他材料完全取代？金屬材料的優(yōu)缺點是什么？金屬材料發(fā)展的出路在哪里？哪些領域將對金屬材料有需求？　　在4月16日出版的美國《科學》雜志上，中國科學院院士、中科院金屬研究所所長盧柯的特邀文章《金屬材料的未來》給出了上述問題的答案，并就金屬材料的特性及其未來應用的發(fā)展趨勢進行了展望。　　比強度及比剛度較低，是金屬材料在未來需要改進的一個重要方向。長期以來，金屬材料界一直致力于提高金屬材料的強度。通常，強化金屬的途徑是通過控制生成內(nèi)部缺陷和界面來阻礙位錯運動，如固溶強化、彌散強化、細晶強化等，但這些強化方式往往會降低材料的塑性和韌性，也可能導致其他性能如導電性和抗腐蝕性能的降低。　　在增加金屬材料強度方面，細化晶粒雖能強化金屬又不損失其韌性，但是當晶粒尺寸細化到亞微米時，強度的增加往往伴隨著塑性和韌性的降低。　　盧柯認為，近期有研究發(fā)現(xiàn)在低合金鋼中利用多級各向異性納米結構可以同時實現(xiàn)高強度和高韌性，這為同時提高金屬材料的強度和韌性開辟了一個新途徑。此外，具有多級復合結構的納米孿晶金屬也表現(xiàn)出***的綜合力學性能，例如納米孿晶銅的強度是粗晶銅的10倍并具有很高的塑性，而其導電率與高導銅相當，抵抗電遷移的能力極高，該材料在微電子行業(yè)有巨大的應用前景。　　金屬的腐蝕是金屬材料的另一大問題，通過表面涂覆一層耐蝕材料或形成保護性鈍化膜可實現(xiàn)防腐，也可通過改變表層的化學成分提高金屬耐腐蝕性能，但這種方法往往需要在高溫下進行，從而導致金屬基體性能的惡化。　　表面機械研磨處理可細化表面晶粒至納米量級，可使處理溫度顯著降低。此外，金屬在高溫下強度降低也是其一大弱點。高溫合金的使用溫度較高（鎳基合金可達1150攝氏度），可在航空渦輪發(fā)動機等高溫環(huán)境下使用。研究人員正在研發(fā)以Mo和Nb等難熔金屬為基的高溫合金以進一步提高使用溫度。　　盧柯認為，盡管金屬材料存在上述缺點，但由于金屬材料自身所具有的一些獨特性能，它仍將是我們當今社會的承載主力，是不可替代的。　　原因主要體現(xiàn)在幾方面。首先，由于金屬的斷裂韌性較其他材料高得多，因此金屬材料往往被用作對可靠性和持久性要求***高的關鍵部件上。　　其次，金屬在各個方向上的性能一致，拉伸和壓縮強度基本相同。金屬的失效強度通常可以預測，這對于預測工程結構的斷裂極為重要。“相反，目前人們難以準確預測復合材料和陶瓷的斷裂強度，而這些材料的失效，經(jīng)常是災難性的瞬時斷裂，可能導致嚴重的經(jīng)濟損失或人員傷亡。因此，許多先進技術仍依賴于高性能金屬材料。”盧柯說。　　此外，大多數(shù)金屬的導電性均高于陶瓷和高分子，銅和鋁仍是電力傳輸?shù)?**佳材料。同時，金屬還具有其他材料所不易具備的優(yōu)異磁學性能。金屬在從低溫至幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)均具有良好的綜合力學性能，這些溫度正是大多數(shù)的化工、能源、發(fā)動機等工業(yè)機械工作的溫度區(qū)間。大多數(shù)的金屬都可回收利用，這對大量應用的材料來說十分重要。　　盧柯指出，現(xiàn)代工業(yè)技術發(fā)展不僅依賴于金屬的這些優(yōu)異性能，而且還急需開發(fā)性能更高的金屬材料。提高金屬的強度而不損失其他性能，對提高金屬材料的競爭力尤為重要。　　“多尺度多級結構組裝可能是優(yōu)化金屬材料綜合性能的一個途徑。金屬材料可以與其他材料結構進行復合——通過獨特的多級組裝等方式將金屬與其他材料組裝，可以得到***佳的強度韌性配合。各類不同材料通過這種方式取長補短，能夠實現(xiàn)綜合性能的提升。”盧柯說。