金屬材料的未來

應《科學》雜誌邀請，中國科學院院士盧柯發表文章展望——

金屬材料的未來

 

□本報記者 潘希

 

材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。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、生物技術並列作為新技術革命的重要標誌。如今，材料已成為國民經濟建設、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，但由於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佔的份額日益減少。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？金屬材料的優缺點是什麼？金屬材料發展的出路在哪裡？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》雜誌上，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，並就金屬材料的特性及其未來應用的發展趨勢進行了展望。

 

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於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，近期有研究發現在低合金鋼中利用多級各向異性納米結構可以同時實現高強度和高韌性，這為同時提高金屬材料的強度和韌性開闢了一個新途徑。此外，具有多級複合結構的納米孿晶金屬也表現出卓越的綜合力學性能，例如納米孿晶銅的強度是粗晶銅的10倍並具有很高的塑性，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，通過表面塗覆一層耐蝕材料或形成保護性鈍化膜可實現防腐，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），可在航空渦輪發動機等高溫環境下使用。研究人員正在研發以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，儘管金屬材料存在上述缺點，但由於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。

 

原因主要體現在幾方面。首先，由於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最高的關鍵部件上。

 

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，這對於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複合材料和陶瓷的斷裂強度，而這些材料的失效，經常是災難性的瞬時斷裂，可能導致嚴重的經濟損失或人員傷亡。因此，許多先進技術仍依賴於高性能金屬材料。」盧柯說。

 

此外，大多數金屬的導電性均高於陶瓷和高分子，銅和鋁仍是電力傳輸的最佳材料。同時，金屬還具有其他材料所不易具備的優異磁學性能。金屬在從低溫至幾百攝氏度的溫度範圍內均具有良好的綜合力學性能，這些溫度正是大多數的化工、能源、發動機等工業機械工作的溫度區間。大多數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，現代工業技術發展不僅依賴於金屬的這些優異性能，而且還急需開發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複合——通過獨特的多級組裝等方式將金屬與其他材料組裝，可以得到最佳的強度韌性配合。各類不同材料通過這種方式取長補短，能夠實現綜合性能的提升。」盧柯說。

 

《科學時報》 (2010-4-20 A1 要聞)