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素化將促進材料可持續發展

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素化將促進材料可持續發展

發布日期:2019-07-18 作者: 點擊:

  隨著全球工業化進程,各類材料的大量制造和使用對地球資源的消耗不斷加劇,材料可持續發展越來越受到世界各國科學家和政策制定者的重視,發達國家近年來先后啟動了多項材料可持續發展研究計劃。2018年,科技部針對材料可持續發展,啟動了關于材料素化的變革性技術重點研發計劃,沈陽材料科學國家研究中心組織相關單位承擔了此項研究任務。應《科學》邀請,該中心盧柯院士和李秀艷研究員撰寫了關于晶界調控實現材料素化的展望性論文《材料素化促進材料可持續發展》,于當地時間2019年5月24日在線發表。

  長期以來,材料尤其是大宗結構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構調控實現材料性能提升,替代合金化,減少合金元素的使用,促進材料回收和再利用。盡管這一概念原理上可行,但納米結構的本征不穩定性導致納米金屬材料熱穩定性差,在較低溫下即發生晶粒長大;機械穩定性差,在外力作用下出現軟化;難以規模制備納米金屬等,從而給材料素化帶來困難。


  他們通過研究發現,在塑性變形制備的納米晶純金屬中,發現了臨界晶粒尺寸下的晶界自發馳豫,以及由此導致的材料熱穩定性和機械穩定性的反常晶粒尺寸效應。這一效應的發現,使得制備極小晶粒尺寸超高強度超高穩定性的金屬成為可能,為納米尺度調控組織獲得高強度帶來了新的機遇,使得材料素化成為可能。


  該文以晶界調控實現材料素化為主線,闡述了素化的原理以及晶界調控方面的最新進展。文中提出,與傳統的合金化強化原理即阻礙位錯運動不同,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度,從而達到減少合金元素使用,提高材料可持續性的目的。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生深遠影響。


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