金屬材料的未來(lái)

　　材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。上世紀(jì)70年代，人們把信息、材料、能源作為社會(huì)文明的支柱。隨著高技術(shù)的興起，又把新材料與信息技術(shù)、生物技術(shù)并列作為新技術(shù)***的重要標(biāo)志。如今，材料已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和人民生活的重要組成部分。　　在工程領(lǐng)域，上世紀(jì)50年代的工程材料以金屬材料為主，但由于其比強(qiáng)度及比剛度較低，金屬材料在當(dāng)今工程結(jié)構(gòu)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(yīng)用領(lǐng)域，例如航空及運(yùn)動(dòng)器材等，金屬逐步被其他輕質(zhì)高強(qiáng)材料所替代。　　在這種趨勢(shì)下，未來(lái)金屬材料是否會(huì)被其他材料完全取代？金屬材料的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？金屬材料發(fā)展的出路在哪里？哪些領(lǐng)域?qū)?duì)金屬材料有需求？　　在4月16日出版的美國(guó)《科學(xué)》雜志上，中國(guó)科學(xué)院院士、中科院金屬研究所所長(zhǎng)盧柯的特邀文章《金屬材料的未來(lái)》給出了上述問題的答案，并就金屬材料的特性及其未來(lái)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。　　比強(qiáng)度及比剛度較低，是金屬材料在未來(lái)需要改進(jìn)的一個(gè)重要方向。長(zhǎng)期以來(lái)，金屬材料界一直致力于提高金屬材料的強(qiáng)度。通常，強(qiáng)化金屬的途徑是通過(guò)控制生成內(nèi)部缺陷和界面來(lái)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，如固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等，但這些強(qiáng)化方式往往會(huì)降低材料的塑性和韌性，也可能導(dǎo)致其他性能如導(dǎo)電性和抗腐蝕性能的降低。　　在增加金屬材料強(qiáng)度方面，細(xì)化晶粒雖能強(qiáng)化金屬又不損失其韌性，但是當(dāng)晶粒尺寸細(xì)化到亞微米時(shí)，強(qiáng)度的增加往往伴隨著塑性和韌性的降低。　　盧柯認(rèn)為，近期有研究發(fā)現(xiàn)在低合金鋼中利用多級(jí)各向異性納米結(jié)構(gòu)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性，這為同時(shí)提高金屬材料的強(qiáng)度和韌性開辟了一個(gè)新途徑。此外，具有多級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米孿晶金屬也表現(xiàn)出***的綜合力學(xué)性能，例如納米孿晶銅的強(qiáng)度是粗晶銅的10倍并具有很高的塑性，而其導(dǎo)電率與高導(dǎo)銅相當(dāng)，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(yīng)用前景。　　金屬的腐蝕是金屬材料的另一大問題，通過(guò)表面涂覆一層耐蝕材料或形成保護(hù)性鈍化膜可實(shí)現(xiàn)防腐，也可通過(guò)改變表層的化學(xué)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(jìn)行，從而導(dǎo)致金屬基體性能的惡化。　　表面機(jī)械研磨處理可細(xì)化表面晶粒至納米量級(jí)，可使處理溫度顯著降低。此外，金屬在高溫下強(qiáng)度降低也是其一大弱點(diǎn)。高溫合金的使用溫度較高（鎳基合金可達(dá)1150攝氏度），可在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)一步提高使用溫度。　　盧柯認(rèn)為，盡管金屬材料存在上述缺點(diǎn)，但由于金屬材料自身所具有的一些獨(dú)特性能，它仍將是我們當(dāng)今社會(huì)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(duì)可靠性和持久性要求***高的關(guān)鍵部件上。　　其次，金屬在各個(gè)方向上的性能一致，拉伸和壓縮強(qiáng)度基本相同。金屬的失效強(qiáng)度通常可以預(yù)測(cè)，這對(duì)于預(yù)測(cè)工程結(jié)構(gòu)的斷裂極為重要。“相反，目前人們難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)合材料和陶瓷的斷裂強(qiáng)度，而這些材料的失效，經(jīng)常是災(zāi)難性的瞬時(shí)斷裂，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。因此，許多先進(jìn)技術(shù)仍依賴于高性能金屬材料。”盧柯說(shuō)。　　此外，大多數(shù)金屬的導(dǎo)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(shí)，金屬還具有其他材料所不易具備的優(yōu)異磁學(xué)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(xué)性能，這些溫度正是大多數(shù)的化工、能源、發(fā)動(dòng)機(jī)等工業(yè)機(jī)械工作的溫度區(qū)間。大多數(shù)的金屬都可回收利用，這對(duì)大量應(yīng)用的材料來(lái)說(shuō)十分重要。　　盧柯指出，現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)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(qiáng)度而不損失其他性能，對(duì)提高金屬材料的競(jìng)爭(zhēng)力尤為重要。　　“多尺度多級(jí)結(jié)構(gòu)組裝可能是優(yōu)化金屬材料綜合性能的一個(gè)途徑。金屬材料可以與其他材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合——通過(guò)獨(dú)特的多級(jí)組裝等方式將金屬與其他材料組裝，可以得到***佳的強(qiáng)度韌性配合。各類不同材料通過(guò)這種方式取長(zhǎng)補(bǔ)短，能夠?qū)崿F(xiàn)綜合性能的提升。”盧柯說(shuō)。