自然科学奖稳定纳米结构金属及其优异性能pdf.PDFVIP

项目名称: 稳定纳米结构金属及其优异性能 一、提名意见 提名意见： 针对金属材料中强度与塑性（或导电性等）不可兼得的重大科学难题，该项目创 新性提出通过调控纳米金属材料中界面结构及空间分布来稳定纳米结构从而提升材 料综合性能的新思路，在一系列典型金属材料中开展了制备技术、微观结构和综合性 能的研究，取得了如下主要原创性研究成果： 1）在金属中发现纳米孪晶结构和小角晶界纳米层片结构两种新型低能界面纳米 结构，分别获得超高强度高导电性纳米孪晶铜和超高硬度高稳定性纳米层片镍；提出 了材料的新强化机制—纳米孪晶强化。 2 ）提出金属材料表面纳米化和梯度纳米结构新概念，通过调控界面空间分布消 除应变局域化效应，提高了纳米结构在变形过程中的稳定性；发现梯度纳米结构的独 特变形机制，获得兼具高强度和高塑性的梯度纳米金属，大幅度降低了铁的氮化温度， 推动了纳米金属材料的发展和工业应用。 该项目开创和引领的关于纳米孪晶结构、小角晶界纳米层片结构以及梯度纳米结 构等稳定纳米结构的研究已成为国际材料领域的热点研究方向，包括 《Nature 》、 《Science》和《Nature Materials 》等学术期刊以及有关学术网站对相关研究成果进行 了跟踪报道、专题评述或引用评述，8 篇代表性学术论文被SCI 他引3702 次，相关研 究成果极大地推动了材料结构稳定化和金属综合强韧化机理方面的研究进展。 对照国家自然科学奖授奖条件,我院提名该项目为国家自然科学奖一等奖。 二、项目简介 金属材料以其优异的综合力学性能而广泛应用于几乎所有工业领 域，其性能的少许提高都将对经济社会发展起到巨大作用。提高金属 材料的强度一直是材料领域中最经典、最核心的科学技术问题之一。 添加适当的合金元素或者细化晶粒可以使金属强化，但其塑性、韧性 和导电性等将显著下降，使得材料的强度与塑性（或韧性、导电性） 形成倒置关系。自上世纪八十年代纳米材料的出现，晶粒细化强化受 到了广泛深入的研究，大量实验表明，当晶粒尺寸细化至纳米尺度时， 金属的强度可以提高数倍至数十倍。然而，由于高能态界面密度高导 致结构稳定性降低，高强度纳米金属还丧失了良好的塑性、韧性及导 电性，限制了纳米金属的发展和工业应用。能否提高金属的强度而不 损失其它良好性能，克服强度与塑性（或导电性等）―鱼与熊掌不可兼 得‖ 的矛盾？这是国际材料研究领域近几十年以来亟待解决的重大科 学难题。 该项目开创性地提出稳定纳米结构的两个途径：1）通过调控界面 结构降低界面能和2 ）通过调控界面空间分布提高变形稳定性，以此提 升纳米金属综合性能，先后在金属中发现了两类新型稳定纳米结构， 即低能界面纳米结构和梯度纳米结构，在材料结构稳定化和金属综合 强韧化机理研究方面取得了一系列重要突破。主要原创性研究成果包 括：1）发现纯铜中纳米孪晶的独特强化效应，获得超高强度高导电性 纳米孪晶铜，突破了强度与导电性的倒置关系，进而提出材料的新强 化机制—纳米孪晶强化；发现金属中的小角晶界纳米层片结构，突破 了塑性变形细化金属晶粒尺寸的极限，获得超高硬度高稳定性纳米层 片镍。2 ）提出金属材料表面纳米化和梯度纳米结构新概念，发展了多 种表面塑性变形制备技术，揭示了变形诱导的梯度纳米结构形成机制； 发现梯度纳米结构独特的变形机制和力学响应，获得了兼具高强度和 高塑性的梯度纳米金属；利用梯度纳米结构表层大幅度降低了铁的渗 氮温度并推动了金属材料表面化学热处理技术的发展；发现表面梯度 纳米结构可大幅度提高金属材料的力学、摩擦磨损和疲劳等性能，推 动了纳米金属材料的发展和工业应用。 该项目开创和引领的关于纳米孪晶结构、小角晶界纳米层片结构 以及梯度纳米结构等稳定纳米结构的研究目前已成为国际上纳米材料 领域的热点研究方向。所取得主要研究成果在《Science》等国际著名 权威学术刊物上发表，8 篇代表性学术论文被 《Nature 》、《Science》和 《Nature Materials 》等学术期刊SCI 他引3702 次。项目主要完成人多 次应邀为《Science》和《Nature Materials 》等国际权威期刊撰写综述或 专题评述，在戈登研究大会和国际材料强度大会等本领域重要国际学 术会议上做大会主旨报告或邀请报告150 余次。 三、客观评价 该项研究成果