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金属材料的未来
浏览: 发布日期:2018-09-10
材料是人类赖以生存和发展的物质基础。上世纪70年代,人们把信息、材料、能源作为社会文明的支柱。随着高技术的兴起,又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。如今,材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。
 
在工程领域,上世纪50年代的工程材料以金属材料为主,但由于其比强度及比刚度较低,金属材料在当今工程结构材料中所占的份额日益减少。在把重量作为主要考虑因素的应用领域,例如航空及运动器材等,金属逐步被其他轻质高强材料所替代。
 
在这种趋势下,未来金属材料是否会被其他材料完全取代?金属材料的优缺点是什么?金属材料发展的出路在哪里?哪些领域将对金属材料有需求?
 
在4月16日出版的美国《科学》杂志上,中国科学院院士、中科院金属研究所所长卢柯的特邀文章《金属材料的未来》给出了上述问题的答案,并就金属材料的特性及其未来应用的发展趋势进行了展望。
 
比强度及比刚度较低,是金属材料在未来需要改进的一个重要方向。长期以来,金属材料界一直致力于提高金属材料的强度。通常,强化金属的途径是通过控制生成内部缺陷和界面来阻碍位错运动,如固溶强化、弥散强化、细晶强化等,但这些强化方式往往会降低材料的塑性和韧性,也可能导致其他性能如导电性和抗腐蚀性能的降低。
 
在增加金属材料强度方面,细化晶粒虽能强化金属又不损失其韧性,但是当晶粒尺寸细化到亚微米时,强度的增加往往伴随着塑性和韧性的降低。
 
卢柯认为,近期有研究发现在低合金钢中利用多级各向异性纳米结构可以同时实现高强度和高韧性,这为同时提高金属材料的强度和韧性开辟了一个新途径。此外,具有多级复合结构的纳米孪晶金属也表现出卓越的综合力学性能,例如纳米孪晶铜的强度是粗晶铜的10倍并具有很高的塑性,而其导电率与高导铜相当,抵抗电迁移的能力极高,该材料在微电子行业有巨大的应用前景。
 
金属的腐蚀是金属材料的另一大问题,通过表面涂覆一层耐蚀材料或形成保护性钝化膜可实现防腐,也可通过改变表层的化学成分提高金属耐腐蚀性能,但这种方法往往需要在高温下进行,从而导致金属基体性能的恶化。
 
表面机械研磨处理可细化表面晶粒至纳米量级,可使处理温度显著降低。此外,金属在高温下强度降低也是其一大弱点。高温合金的使用温度较高(镍基合金可达1150摄氏度),可在航空涡轮发动机等高温环境下使用。研究人员正在研发以Mo和Nb等难熔金属为基的高温合金以进一步提高使用温度。
 
卢柯认为,尽管金属材料存在上述缺点,但由于金属材料自身所具有的一些独特性能,它仍将是我们当今社会的承载主力,是不可替代的。
 
原因主要体现在几方面。首先,由于金属的断裂韧性较其他材料高得多,因此金属材料往往被用作对可靠性和持久性要求最高的关键部件上。
 
其次,金属在各个方向上的性能一致,拉伸和压缩强度基本相同。金属的失效强度通常可以预测,这对于预测工程结构的断裂极为重要。“相反,目前人们难以准确预测复合材料和陶瓷的断裂强度,而这些材料的失效,经常是灾难性的瞬时断裂,可能导致严重的经济损失或人员伤亡。因此,许多先进技术仍依赖于高性能金属材料。”卢柯说。
 
此外,大多数金属的导电性均高于陶瓷和高分子,铜和铝仍是电力传输的最佳材料。同时,金属还具有其他材料所不易具备的优异磁学性能。金属在从低温至几百摄氏度的温度范围内均具有良好的综合力学性能,这些温度正是大多数的化工、能源、发动机等工业机械工作的温度区间。大多数的金属都可回收利用,这对大量应用的材料来说十分重要。
 
卢柯指出,现代工业技术发展不仅依赖于金属的这些优异性能,而且还急需开发性能更高的金属材料。提高金属的强度而不损失其他性能,对提高金属材料的竞争力尤为重要。
 
“多尺度多级结构组装可能是优化金属材料综合性能的一个途径。金属材料可以与其他材料结构进行复合——通过独特的多级组装等方式将金属与其他材料组装,可以得到最佳的强度韧性配合。各类不同材料通过这种方式取长补短,能够实现综合性能的提升。”卢柯说。
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