隨著工業的不斷發展，納米晶金屬材料廣泛應用到工業的各個領域，無論是從技術還是性能都優于傳統金屬，堪稱工業領域的殺手锏，為了普及納米晶金屬材料科普知識，了解相關的先進技術及發展趨勢，中國腐蝕與防護網記者有幸采訪到中國科學院金屬研究所王勝剛研究員。
 

王勝剛研究員

　中國科學院金屬研究所（以下簡稱“金屬所”）是新中國成立后中國科學院新創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威。

　納米晶金屬材料是工業各領域的殺手锏

　1984年德國科學家H. Gleiter首次提出了納米金屬材料的的概念，世界各國科學家從此開始投身于納米晶金屬材料的研究熱潮。 據王研究員介紹，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，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。當時，國內外大學和科研院所已經有眾多的研究組開展納米晶金屬材料的研究。在人員、經費、工作基礎和學術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。采用常規軋制設備，利用深度軋制技術首先成功制備了納米晶工業純鐵板材，深度軋制技術申請了國家發明專利。此技術具有我國自主知識產權，并不是對當時國內外塊體納米晶金屬材料制備技術跟蹤與模仿。
 

    納米晶鋁合金板材
 

　2001年龍期威研究員去世以后，王研究員帶領課題組繼續負責開展深度軋制技術制備塊體納米晶金屬材料及其相關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性能及其機理研究一直到現在，對這項工作的執著來源于深度軋制技術產業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者俄羅斯R. Z. Valiev 教授認為，傳統的壓力加工設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恰恰是利用傳統的壓力加工設備制備出塊體納米晶金屬材料（目前制備出納米晶工業純鐵、304不銹鋼、1Cr13、工業純鋁和3003鋁合金板材）。這種制備技術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（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。

　據王研究員介紹， 深度軋制技術制備的塊體納米晶金屬材料的優勢在于：（1） 深度軋制技術能夠實現產業化，且成本低；（2） 深度軋制技術能夠制備多種納米晶金屬材料，如碳鋼、不銹鋼、鋁合金等；（3） 深度軋制技術制備的塊體納米晶金屬多種性能（如力學、腐蝕和摩擦磨損等）同時提高。

　這項工作的意義在于：（1） 深度軋制技術通過提高金屬材料的綜合性能，可以提高金屬加工企業的產品質量，提高金屬產品市場競爭力和附件值；（2） 深度軋制技術是同時提高金屬材料多種性能有效的產業化技術方法；（3） 塊體納米晶金屬材料的綜合性能提高能夠減少設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，如汽車、電力（包括核電）、化工、船舶、鐵路、機械行業的節能、環保、降低成本和提高效率方面具有廣泛的應用前景；（4） 深度軋制技術制備的納米晶金屬材料不僅室溫時不同性能同時提高，還具有高溫化學穩定性，如抗高溫氧化和熔鹽腐蝕性能提高，應用范圍可以擴展到高溫領域。

　針對不同行業正在服役或者使用的金屬材料，在不改變原有材料的化學成分前提下，可以利用深度軋制技術提高這些金屬材料的力學（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揮作用。

　納米晶金屬材料制備技術秉承產業化理念

　在納米晶金屬材料制備技術方面，王研究員所在的課題組，一直秉承制備技術的產業化理念。這不同于多數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制備納米晶金屬材料，開展相關研究工作。深度軋制技術是結合金屬材料加工企業實際生產條件提出的，并非實驗室技術到產業化技術過渡。雖然在從事納米晶金屬材料研究期間，已經有國際同行認可的很多納米晶金屬材料制備技術，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自己的塊體納米晶金屬材料技術，提出可產業化的制備技術。雖然提出的制備技術及其相關基礎研究工作，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，深度軋制技術的優勢逐漸顯現出來。

　納米晶金屬材料基礎研究方面，課題組注重辯證地學習和吸取公開發表的論文、教材和專著等提供的相關實驗結果和理論，注重研究已發表論文中材料加工、實驗方案、材料微觀結構表征和相關性能之間的內在聯系。王研究員說，我們更注重在多個實驗結果基礎上，提出一定范圍內具有的普適性結論或者觀點，這樣的結論或者觀點更有利于指導和引領未來納米晶金屬材料基礎研究和產業化應用。我們研究納米晶和普通304不銹鋼板材高溫氧化時，發現納米晶304不銹鋼抗高溫氧化性能提高，但我們并沒有利用現有關于納米晶金屬材料抗氧化性能提高的機制解釋實驗結果。大多數高溫氧化方面的工作只注重恒溫氧化過程動力學過程，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曲線，也得到了升溫過程氧化動力學曲線。后來發現，實驗結果與現有的納米晶金屬材料高溫氧化的觀點不符。我們并沒有將現有的理論勉強去附和我們的實驗結果，而是利用三年時間提出了從材料價電子結構和氧化膜電子結構角度解釋了實驗結果。雖然當時價電子結構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表。

   本征參量是理解金屬材料性能和規律的關鍵

　材料科學是一門應用性很強的工程科學。材料科學研究工作最終目的是科研成果的產業化應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，對于有望能夠實現產業化的研究工作應重點關注和扶持。對于國際熱點，但是未來的應用和產業化難以預測的領域，應該謹慎支持。回顧材料科學研究發展歷史，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域，但是人們無法也很少考慮基礎研究的應用問題，到最后還是以基礎研究收場，這樣的例子很多。目前國內外的材料科學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定障礙。這樣做的后果不利于金屬材料的實際應用。因此，材料科學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。王研究員課題組從事納米金屬材料制備和相關性能研究過程中，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、與不同性能相關的基礎知識和理論框架、不同領域的研究進展，這會導致科研人員的工作量增加和解決本專業以外的問題難度加大。但是這樣做的優勢在于：（1） 有利某種材料的產業化應用；（2） 有利于金屬材料不同性能之間的協調和貫通；（3） 在這些研究工作基礎上，可能會發現更為普適的規律或者理論。

　　    在材料科學研究過程中，對于新的實驗結果不同于傳統的或者公開發表的實驗結果，盡量避免運用現有理論解釋和附和新的實驗結果。雖然利用現有理論解釋新的實驗結果更容易發表論文，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。這一結論邏輯關系沒有問題。如果這個結論成立，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普通金屬材料的實驗證據。如果缺乏支撐某一結論的實驗證據，雖然某一理論在邏輯關系上合理，但這個結論仍然是值得推敲。

　材料科學研究中，人們經常通過只改變溫度、晶粒尺寸、應變或者化學成分等參量，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律值得商榷。例如，自從出現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（電化學腐蝕、高溫氧化和熔鹽腐蝕等） 影響的工作。大量實驗結果表明，與相應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。力學方面，金屬材料的強度與晶粒尺寸存在 Hall-Petch 關系。但是，隨著晶粒尺寸減少到納米量級，會出現反Hall-Petch 關系。金屬材料其他性能方面也存在同樣的現象。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構是不同的；（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，其微觀結構也不同。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，不會得到一致和統一性的結論。對于其他傳統的材料參量，如殘余應力和化學成分等也會出現類似情況。

　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一的結論，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。

   產業化、多種性能同時提高是塊體納米晶金屬材料制備的發展方向

　從1984年算起，納米晶金屬材料研究工作已經走過了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濟不同領域中應用。這對納米晶金屬材料研究提出了挑戰。塊體納米晶金屬材料制備技術在未來的納米晶金屬材料基礎研究及其產業化應用具有關鍵性作用。目前的納米晶金屬材料制備技術多數為實驗室技術。有的實驗室制備技術實現產業化需要走很長的路，有的實驗室制備技術目前看不到產業化前景。在納米晶金屬材料基礎研究方面，納米晶金屬材料的許多性能不同相應的傳統多晶金屬材料，人們往往注重發現新的現象和結果、運用已有理論盡可能地解釋納米晶金屬材料的相關結果，缺乏在納米晶金屬材料新現象和實驗結果基礎上，建立相應的新理論和新觀點。這會導致納米晶金屬材料基礎研究迷失方向，阻礙納米晶金屬材料研究健康發展。制備技術的產業化并且低成本、納米晶金屬材料多種性能同時提高，應該是未來塊體納米晶金屬材料發展方向。

 

　中國科學院金屬研究所簡介

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

　截至2014年底，金屬所有工作人員1700余人，其中兩院院士7人，正高級專業技術人員169人，副高級專業技術人員304人，國家杰出青年基金獲得者16人。15人在26個國際學術組織任職，26人在51種國際學術期刊任職，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。現有材料科學與工程1個一級學科博士生培養點和碩士生培養點，包含材料物理與化學、材料學、材料加工工程、腐蝕科學與防護4個二級學科博士、碩士生培養點，材料科學與工程1個一級學科博士后流動站。在學研究生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、國家技術發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技術獎。編輯出版《金屬學報》（中、英文版）、《材料科學與技術》（英文版）、《材料研究學報》、《中國腐蝕與防護學報》、《腐蝕科學與防護技術》等學術期刊。

    人物簡介

　王勝剛，研究員，碩士生導師，現就職于中國科學院金屬研究所。2011年獲中國腐蝕與防護學會優秀論文獎特等獎。研究方向：（1） 塊體納米晶金屬材料制備技術（2） 塊體納米晶金屬材料的化學與機械性能（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、熱力學）（4） 金屬材料物理與化學性能之間的關系及其本征結構表征。科研項目：    深度軋制技術制備塊體納米晶金屬板材產業化工藝、 深度軋制技術制備的納米晶金屬板材的腐蝕性能、力學性能以及其他相關的其他物理與化學性能。

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責任編輯：班英飛

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