香港城市大學呂堅院士Materials Today綜述：納米結構金屬材料的結構與力學性能

金屬材料作為工程應用中極為重要的結構材料，不斷優化其力學性能一直是科學家從事的重要課題。金屬材料在納米尺度下往往具有豐富的微觀結構，這些納米結構與材料性能密切相關。因此，除了通過改變材料組分設計高性能金屬材料，納米結構設計是發展高強高韌金屬材料的重要手段，長期以來受到廣泛關注。近年來，通過納米結構的可控制備提升金屬材料力學性能的工藝越來越成熟。而且各種新型納米結構也不斷涌現，比如晶體材料中的多級孿晶、梯度結構和超穩定晶界；非晶合金中的納米金屬玻璃；晶體和非晶復合的超納結構等。得益于納米結構設計方法的快速發展，金屬結構材料的力學性能提升到了新高度。特別地，通過分析最新研究成果可以發現，相較于納米結構的特征尺寸大于10納米的金屬材料，當納米結構的特征尺寸細化至10納米以下時，材料的微觀變形機制會發生顯著變化，使得材料的力學性能得到進一步提升。有鑒于此，呂堅院士提出將10納米作為關鍵尺度，命名該尺度以下的納米結構為超納結構，并強調這是納米結構金屬材料的新領域。

【成果簡介】

近日，香港城市大學呂堅院士團隊根據其課題組關于納米結構金屬材料的結構設計和力學行為的研究基礎，篩選了近200篇相關文獻對金屬結構材料中的納米/超納結構進行了全面的總結和系統的分析探討。梳理了近年來的重要研究成果，詳細討論了納米/超納結構與材料力學性能的內在聯系。作者著重對晶體材料、非晶材料和納米結構復合材料進行了系統深入的討論，總結了納米/超納結構與材料力學性能的關系及其背后的強韌化機理。特別地，超納材料作為金屬結構材料領域的新成員，作者結合已有的研究報道，列舉了五項代表性工作對超納結構進行了詳細介紹并且明確定義了其基本特征。此外，作者簡述了增材制造和機器學習在納米結構金屬材料設計領域的研究現狀和應用前景。最后，作者對納米結構金屬材料的設計開發所面臨的機遇與挑戰進行了展望。該成果以“Nanostructural metallic materials: Structures and mechanical properties”為題發表在國際著名期刊Materials Today?(DOI:?10.1016/j.mattod.2020.04.005)。該論文共同第一作者均為呂堅院士課題組原成員，分別是哈爾濱工業大學（深圳）的孫李剛助理教授、德國馬普鋼鐵研究所的吳戈博士和上海大學的王慶教授，通訊作者為香港城市大學呂堅院士。

【圖文解讀】

圖1?金屬材料強韌化的納米結構總結圖?

圖2?多級孿晶結構的空間取向分布示意圖

圖3?多級孿晶金屬材料的典型實例

圖4?突破金屬材料細晶強化尺寸極限的典型實例

圖5?調控位錯結構實現金屬材料強韌化的典型實例

圖6?梯度結構金屬材料的力學性能

圖7?納米金屬玻璃的結構特征

圖8?納米金屬玻璃的拉伸和壓縮變形行為

圖9?納米金屬玻璃的力學性能與變形機制

圖10?五種超納結構的示意圖

圖11?五種超納結構的典型實例

圖12?21世紀以來高強度金屬結構材料的研究進展

圖13?先進納米結構金屬材料的微結構與力學性能關系的總結圖

圖14?各類高性能納米結構的制備工藝和強韌化機理

圖15?金屬結構材料中典型異質結構的示意圖

【總結與展望】

作者總結了通過設計納米結構優化金屬結構材料力學性能的最新進展，梳理了高性能納米結構金屬材料的制備工藝及其強韌化機理。為了讓讀者更好地了解超納結構這一金屬結構材料家族的新成員，作者詳細總結了其獨特的力學特性和廣泛的應用前景。此外，作者指出納米/超納結構都具有拓撲、物理或化學性質方面的異構性特征。納米/超納尺度下的異構設計是金屬結構材料力學性能優化的重要核心。近年來，盡管關于納米結構金屬材料的突破性成果屢見不鮮，但對于實際應用而言，仍有很長的路要走。納米結構金屬材料未來的研究面臨一些重要的機遇和挑戰：（1）發展精準調控納米/超納結構的工藝，實現納米結構金屬材料工藝與結構關系的定量可調；（2）發展關聯工藝參數與納米/超納結構形成規律的制備理論；（3）結合實驗表征、計算機模擬和理論模型系統地研究納米/超納結構的強韌化機制；（4）金屬結構材料中同時存在多種納米/超納結構時，揭示不同微結構之間的相互作用機制；（5）在系統建立納米結構金屬材料“工藝-結構-性能-機制”關系的基礎上，發展能夠滿足工業應用的制造工藝。

【文獻鏈接】

Nanostructural metallic materials: Structures and mechanical properties. (Mater. Today, 2020. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.04.005)

呂堅院士簡介

呂堅，法國國家技術科學院（NATF）院士，香港城市大學機械工程講座教授、副校長（研究與科技）、周亦卿研究生院院長。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的制備和力學性能，機械系統仿真模擬設計。曾任法國機械工業技術中心(CETIM)高級研究工程師和實驗室負責人，法國特魯瓦技術大學機械系統工程系系主任，法國教育部與法國國家科學中心（CNRS）機械系統與并行工程實驗室主任，香港理工大學機械工程系系主任、講座教授，兼任香港理工大學工程學院副院長，香港城市大學科學與工程學院院長。曾任法國、歐盟和中國的多項研究項目的負責人，并與空客、EADS、寶鋼、安賽樂米塔爾、AREVA、ALSTOM、EDF、ABB、雷諾、標致等世界五百強公司有合作研究關系或為它們進行科學咨詢工作。曾任歐盟第五框架科研計劃評審專家；歐盟第六框架科研計劃咨詢專家；中國國家自然科學基金委海外評審專家，中科院首批海外評審專家，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授，西安交通大學和西北工業大學顧問教授，上海交通大學、上海大學、中山大學、中南大學等大學客座教授，中科院知名學者團隊成員，2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。已取得23項歐、美、中專利（含6項PCT拓展專利），在本領域頂尖雜志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、?Advanced Science、PRL、Angew. Chem.?等專業雜志上發表論文340余篇，引用24000余次（Google Scholar）。