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【中国腐蚀与防护网】王胜刚:纳米晶金属材料是工业各领域“杀手锏”
 
2016-02-21 | 文章来源:磁性材料与磁学研究部        【 】【打印】【关闭

  随着工业的不断发展,纳米晶金属材料广泛应用到工业的各个领域,无论是从技术还是性能都优于传统金属,堪称工业领域的杀手锏,为了普及纳米晶金属材料科普知识,了解相关的先进技术及发展趋势,中国腐蚀与防护网记者有幸采访到中国科学院金属研究所王胜刚研究员。


王胜刚研究员

  中国科学院金属研究所(以下简称“金属所”)是新中国成立后中国科学院新创建的首批研究所之一,在纳米晶体金属材料研究与材料的腐蚀防护中颇具权威。

  纳米晶金属材料是工业各领域的杀手锏

  1984年德国科学家H. Gleiter首次提出了纳米金属材料的的概念,世界各国科学家从此开始投身于纳米晶金属材料的研究热潮。 据王研究员介绍,在研究初期,块体纳米晶金属材料制备成本非常昂贵而且制备的样品很小。对于需要大尺寸和一定厚度的实验样品,如拉伸、疲劳和摩擦磨损以及腐蚀等实验难以进行。为此,有的科研工作者将纳米晶金属材料研究对象转向纳米晶金属薄膜和金属表层纳米化材料,有的科研工作者提出大尺寸纳米晶金属材料制备技术,如非晶晶化,严重塑性形变等方法。这些块体纳米晶金属材料制备方法在解决纳米晶金属大尺寸和低成本方面做出了贡献。当时,国内外大学和科研院所已经有众多的研究组开展纳米晶金属材料的研究。在人员、经费、工作基础和学术影响力等方面与其它课题组相比,王研究员所在的课题组处于劣势。

  王研究员回忆,当还是博士生时跟随龙期威研究员做课题,在此之前,课题组也没有制备块体纳米晶金属材料方面的工作经验。恩师龙期威研究员在块体纳米晶金属材料制备方面积累了一些理论性工作。2000 年,在恩师龙期威研究员的指导下,课题组开始了制备块体纳米晶金属材料方面的研究。采用常规轧制设备,利用深度轧制技术首先成功制备了纳米晶工业纯铁板材,深度轧制技术申请了国家发明专利。此技术具有我国自主知识产权,并不是对当时国内外块体纳米晶金属材料制备技术跟踪与模仿。


纳米晶铝合金板材

  2001年龙期威研究员去世以后,王研究员带领课题组继续负责开展深度轧制技术制备块体纳米晶金属材料及其相关性能与机理方面的研究。王研究员说,能够坚持开展深度轧制技术制备块体纳米晶金属材料的工艺、块体纳米晶金属材料相关性能及其机理研究一直到现在,对这项工作的执着来源于深度轧制技术产业化前景和纳米晶金属材料多种性能的同时提高。

  国际纳米晶金属材料著名学者俄罗斯R. Z. Valiev 教授认为,传统的压力加工设备不能制备块体纳米晶金属材料。而王研究员课题组提出的深度轧制技术恰恰是利用传统的压力加工设备制备出块体纳米晶金属材料(目前制备出纳米晶工业纯铁、304不锈钢、1Cr13、工业纯铝和3003铝合金板材)。这种制备技术并不是单独为提高金属材料某一种机械性能提出。深度轧制技术制备的块体纳米晶金属板材能够同时提高同一种金属材料多种不同性能,如力学(拉伸和疲劳等)、腐蚀、高温氧化和摩擦磨损等,也可以提高不同材料同一性能。

  据王研究员介绍, 深度轧制技术制备的块体纳米晶金属材料的优势在于:(1) 深度轧制技术能够实现产业化,且成本低;(2) 深度轧制技术能够制备多种纳米晶金属材料,如碳钢、不锈钢、铝合金等;(3) 深度轧制技术制备的块体纳米晶金属多种性能(如力学、腐蚀和摩擦磨损等)同时提高。

  这项工作的意义在于:(1) 深度轧制技术通过提高金属材料的综合性能,可以提高金属加工企业的产品质量,提高金属产品市场竞争力和附件值;(2) 深度轧制技术是同时提高金属材料多种性能有效的产业化技术方法;(3) 块体纳米晶金属材料的综合性能提高能够减少设备或器件体积和重量、提高金属材料的服役寿命、增加有效载荷和降低能耗等。对于大量使用金属材料的行业,如汽车、电力(包括核电)、化工、船舶、铁路、机械行业的节能、环保、降低成本和提高效率方面具有广泛的应用前景;(4) 深度轧制技术制备的纳米晶金属材料不仅室温时不同性能同时提高,还具有高温化学稳定性,如抗高温氧化和熔盐腐蚀性能提高,应用范围可以扩展到高温领域。

  针对不同行业正在服役或者使用的金属材料,在不改变原有材料的化学成分前提下,可以利用深度轧制技术提高这些金属材料的力学(拉伸和疲劳等)、腐蚀(溶液、熔盐和高温腐蚀性气体等)和磨损等性能。提高服役寿命、增加有效载荷、提高器件或者设备轻量化、降低能耗、减少由于机械性能和腐蚀性能降低引起的维修成本等方面发挥作用。

  纳米晶金属材料制备技术秉承产业化理念

  在纳米晶金属材料制备技术方面,王研究员所在的课题组,一直秉承制备技术的产业化理念。这不同于多数研究者采用目前流行或者认可的纳米晶金属材料制备技术制备纳米晶金属材料,开展相关研究工作。深度轧制技术是结合金属材料加工企业实际生产条件提出的,并非实验室技术到产业化技术过渡。虽然在从事纳米晶金属材料研究期间,已经有国际同行认可的很多纳米晶金属材料制备技术,但是王研究员课题组并没有采用已有的制备方法开展而是自主研发自己的块体纳米晶金属材料技术,提出可产业化的制备技术。虽然提出的制备技术及其相关基础研究工作,与目前块体纳米晶金属材料研究的主流方向不同,在发表文章和申请项目等方面处于劣势。但是,随着时间推移和工作进一步深入以及实际工程需求,深度轧制技术的优势逐渐显现出来。

  纳米晶金属材料基础研究方面,课题组注重辩证地学习和吸取公开发表的论文、教材和专著等提供的相关实验结果和理论,注重研究已发表论文中材料加工、实验方案、材料微观结构表征和相关性能之间的内在联系。王研究员说,我们更注重在多个实验结果基础上,提出一定范围内具有的普适性结论或者观点,这样的结论或者观点更有利于指导和引领未来纳米晶金属材料基础研究和产业化应用。我们研究纳米晶和普通304不锈钢板材高温氧化时,发现纳米晶304不锈钢抗高温氧化性能提高,但我们并没有利用现有关于纳米晶金属材料抗氧化性能提高的机制解释实验结果。大多数高温氧化方面的工作只注重恒温氧化过程动力学过程,而我们考虑了从升温到恒温氧化的全过程,不仅得到恒温氧化动力学曲线,也得到了升温过程氧化动力学曲线。后来发现,实验结果与现有的纳米晶金属材料高温氧化的观点不符。我们并没有将现有的理论勉强去附和我们的实验结果,而是利用三年时间提出了从材料价电子结构和氧化膜电子结构角度解释了实验结果。虽然当时价电子结构表征方面实验工作人员对我们提出的实验方案不理解,但是我们坚信我们的方向是对的。后来的实验结果证明,我们的思路是正确的。这部分工作投到 Corrosion Science 后,只是修改与此期刊不符的某些格式要求后就直接接受发表。

  本征参量是理解金属材料性能和规律的关键

  材料科学是一门应用性很强的工程科学。材料科学研究工作最终目的是科研成果的产业化应用或者在金属材料冶炼、加工、改性、服役和表征等方面提出具有可操作性的改进建议或者方法,而不是停留在科研论文层面。因此,对于有望能够实现产业化的研究工作应重点关注和扶持。对于国际热点,但是未来的应用和产业化难以预测的领域,应该谨慎支持。回顾材料科学研究发展历史,虽然国家投入大量人力和物力从事某些说谓国际热点研究领域,但是人们无法也很少考虑基础研究的应用问题,到最后还是以基础研究收场,这样的例子很多。目前国内外的材料科学研究方式一般以性能为主线,研究不同材料的某一种性能,如力学性能、腐蚀、摩擦磨损和加工性能等。但是,金属材料服役过程中,由于实际工况比较复杂多变,对金属材料的性能要求往往是多方面的。因此,以性能为主线往往对同一材料不同性能的研究缺乏沟通或者人为设定障碍。这样做的后果不利于金属材料的实际应用。因此,材料科学研究如果以材料进行分类或许比材料性能分类似乎更为合理和科学。王研究员课题组从事纳米金属材料制备和相关性能研究过程中,对于某一具体材料而言,会最大限度接近不同实际工况条件同时开展不同性能及其机理的研究工作。虽然这种科研模式涉及不同性能、与不同性能相关的基础知识和理论框架、不同领域的研究进展,这会导致科研人员的工作量增加和解决本专业以外的问题难度加大。但是这样做的优势在于:(1) 有利某种材料的产业化应用;(2) 有利于金属材料不同性能之间的协调和贯通;(3) 在这些研究工作基础上,可能会发现更为普适的规律或者理论。

  在材料科学研究过程中,对于新的实验结果不同于传统的或者公开发表的实验结果,尽量避免运用现有理论解释和附和新的实验结果。虽然利用现有理论解释新的实验结果更容易发表论文,但王研究员的课题组不提倡这样做。对于材料某一性能提出的机理或者理论模型,尽量避免采用假设性的前提。例如,对于纳米晶金属材料抗高温氧化机理,很多学者认为是由于纳米晶金属材料晶界多,易氧化元素(如铝和铬)在晶界处扩散加快,引起纳米晶金属材料快速形成氧化膜所致。这一结论逻辑关系没有问题。如果这个结论成立,需要提供易氧化元素在纳米晶金属材料晶界扩散速度快和金属材料氧化速度明显高于相应普通金属材料的实验证据。如果缺乏支撑某一结论的实验证据,虽然某一理论在逻辑关系上合理,但这个结论仍然是值得推敲。

  材料科学研究中,人们经常通过只改变温度、晶粒尺寸、应变或者化学成分等参量,其他参量不变时,研究这一参量对金属材料某一性能的影响。实际上,如果是针对某些实际工程需要的研究工作,这样做是无可厚非。如果试图通过这种方式研究这些参量对某性能的影响规律值得商榷。例如,自从出现纳米晶金属材料以来,人们开展了大量的金属材料晶粒尺寸对腐蚀性能(电化学腐蚀、高温氧化和熔盐腐蚀等) 影响的工作。大量实验结果表明,与相应的普通金属材料相比,有的纳米晶材料的耐腐蚀性能提高,而有的纳米晶金属材料耐腐蚀性能降低。力学方面,金属材料的强度与晶粒尺寸存在 Hall-Petch 关系。但是,随着晶粒尺寸减少到纳米量级,会出现反Hall-Petch 关系。金属材料其他性能方面也存在同样的现象。这主要是由于一下原因:(1) 改变晶粒尺寸的方式有多种,相同的晶粒尺寸可以通过不同的处理方式获得,利用不同方式获得的相同晶粒尺寸的金属材料其微观结构是不同的;(2) 即使相同晶粒尺寸的金属材料由于其晶粒尺寸分布不同,其微观结构也不同。因此,如果从理论上研究晶粒尺寸对金属材料腐蚀性能的影响,不会得到一致和统一性的结论。对于其他传统的材料参量,如残余应力和化学成分等也会出现类似情况。

  王研究员说,这些实验事实告诉我们,研究金属材料性能的变化规律需要选择合适的变化参量。这个参量我们称之为某种性能的本征参量。只有这样,才能得到一致的或者统一的结论,避免引起理论和思维上的混乱。我们相信不远的将来,这方面工作会明显进展。

  产业化、多种性能同时提高是块体纳米晶金属材料制备的发展方向

  从1984年算起,纳米晶金属材料研究工作已经走过了32年。虽然世界各国投入了巨资开展了纳米晶金属材料的研究,但目前还没有看到成熟的或者可靠的块体纳米晶金属在国民经济不同领域中应用。这对纳米晶金属材料研究提出了挑战。块体纳米晶金属材料制备技术在未来的纳米晶金属材料基础研究及其产业化应用具有关键性作用。目前的纳米晶金属材料制备技术多数为实验室技术。有的实验室制备技术实现产业化需要走很长的路,有的实验室制备技术目前看不到产业化前景。在纳米晶金属材料基础研究方面,纳米晶金属材料的许多性能不同相应的传统多晶金属材料,人们往往注重发现新的现象和结果、运用已有理论尽可能地解释纳米晶金属材料的相关结果,缺乏在纳米晶金属材料新现象和实验结果基础上,建立相应的新理论和新观点。这会导致纳米晶金属材料基础研究迷失方向,阻碍纳米晶金属材料研究健康发展。制备技术的产业化并且低成本、纳米晶金属材料多种性能同时提高,应该是未来块体纳米晶金属材料发展方向。

  中国科学院金属研究所简介

  中国科学院金属研究所(以下简称“金属所”)成立于1953年,是新中国成立后中国科学院新创建的首批研究所之一,创建者是我国著名的物理冶金学家李薰先生。金属所是涵盖材料基础研究、应用研究和工程化研究的综合型研究所。主要学科方向和研究领域:纳米尺度下超高性能材料设计与制备、耐苛刻环境超级结构材料、金属材料失效机理与防护技术、材料制备加工技术、基于计算的材料与工艺设计、新型能源与生物材料等。基础研究方面拥有沈阳材料科学国家(联合)实验室和金属腐蚀与防护实验室;应用研究方面拥有沈阳先进材料研究发展中心、材料环境腐蚀研究中心;工程化研究方面拥有高性能均质合金国家工程研究中心和国家金属腐蚀控制工程技术研究中心。

  截至2014年底,金属所有工作人员1700余人,其中两院院士7人,正高级专业技术人员169人,副高级专业技术人员304人,国家杰出青年基金获得者16人。15人在26个国际学术组织任职,26人在51种国际学术期刊任职,国家“千人计划”入选者3人、“万人计划”入选者4人,中科院“百人计划”入选者40人。现有材料科学与工程1个一级学科博士生培养点和硕士生培养点,包含材料物理与化学、材料学、材料加工工程、腐蚀科学与防护4个二级学科博士、硕士生培养点,材料科学与工程1个一级学科博士后流动站。在学研究生715人(硕士生302人、博士生413人),26人荣获中科院院长奖学金特别奖。

  金属所已累计获得科技成果奖400余项,其中国家级奖项90余项,包括国家科技进步特等奖、国家自然科学、国家技术发明和国家科技进步一等奖等,2010年金属所名誉所长师昌绪院士获得国家最高科学技术奖。编辑出版《金属学报》(中、英文版)、《材料科学与技术》(英文版)、《材料研究学报》、《中国腐蚀与防护学报》、《腐蚀科学与防护技术》等学术期刊。

  人物简介

  王胜刚,研究员,硕士生导师,现就职于中国科学院金属研究所。2011年获中国腐蚀与防护学会优秀论文奖特等奖。研究方向:(1) 块体纳米晶金属材料制备技术(2) 块体纳米晶金属材料的化学与机械性能(腐蚀、高温氧化,摩擦磨损)(3) 块体纳米晶金属材料的物理性能(力学、热力学)(4) 金属材料物理与化学性能之间的关系及其本征结构表征。科研项目:深度轧制技术制备块体纳米晶金属板材产业化工艺、 深度轧制技术制备的纳米晶金属板材的腐蚀性能、力学性能以及其他相关的其他物理与化学性能。

 

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