隨著全球工業(yè)化進(jìn)程，各類材料的大量制造和使用對地球資源的消耗不斷加劇，材料可持續(xù)發(fā)展越來越受到世界各國科學(xué)家和政策制定者的重視，發(fā)達(dá)國家近年來先后啟動了多項(xiàng)材料可持續(xù)發(fā)展研究計(jì)劃。2018年，科技部針對材料可持續(xù)發(fā)展，啟動了關(guān)于材料素化的變革性技術(shù)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，沈陽材料科學(xué)國家研究中心組織相關(guān)單位承擔(dān)了此項(xiàng)研究任務(wù)。應(yīng)《科學(xué)》邀請，該中心盧柯院士和李秀艷研究員撰寫了關(guān)于晶界調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料素化的展望性論文《材料素化促進(jìn)材料可持續(xù)發(fā)展》，于當(dāng)?shù)貢r間2019年5月24日在線發(fā)表。
長期以來，材料尤其是大宗結(jié)構(gòu)材料的性能提升往往依賴于合金化，而合金化使得材料的成本不斷攀升，性能提升幅度趨緩，回收利用變得更加困難。材料素化旨在通過跨尺度材料組織結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料性能提升，替代合金化，減少合金元素的使用，促進(jìn)材料回收和再利用。盡管這一概念原理上可行，但納米結(jié)構(gòu)的本征不穩(wěn)定性導(dǎo)致納米金屬材料熱穩(wěn)定性差，在較低溫下即發(fā)生晶粒長大；機(jī)械穩(wěn)定性差，在外力作用下出現(xiàn)軟化；難以規(guī)模制備納米金屬等，從而給材料素化帶來困難。
他們通過研究發(fā)現(xiàn)，在塑性變形制備的納米晶純金屬中，發(fā)現(xiàn)了臨界晶粒尺寸下的晶界自發(fā)馳豫，以及由此導(dǎo)致的材料熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性的反常晶粒尺寸效應(yīng)。這一效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使得制備極小晶粒尺寸超高強(qiáng)度超高穩(wěn)定性的金屬成為可能，為納米尺度調(diào)控組織獲得高強(qiáng)度帶來了新的機(jī)遇，使得材料素化成為可能。
該文以晶界調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料素化為主線，闡述了素化的原理以及晶界調(diào)控方面的最新進(jìn)展。文中提出，與傳統(tǒng)的合金化強(qiáng)化原理即阻礙位錯運(yùn)動不同，純金屬或低合金化材料可通過抑制位錯形核來提高材料強(qiáng)度，從而達(dá)到減少合金元素使用，提高材料可持續(xù)性的目的。材料素化不但可以大幅度提升材料性能，還將對材料及器件的制造產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
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