香港城市大学吕坚院士Materials Today综述：纳米结构金属材料的结构与力学性能

金属材料作为工程应用中极为重要的结构材料，不断优化其力学性能一直是科学家从事的重要课题。金属材料在纳米尺度下往往具有丰富的微观结构，这些纳米结构与材料性能密切相关。因此，除了通过改变材料组分设计高性能金属材料，纳米结构设计是发展高强高韧金属材料的重要手段，长期以来受到广泛关注。近年来，通过纳米结构的可控制备提升金属材料力学性能的工艺越来越成熟。而且各种新型纳米结构也不断涌现，比如晶体材料中的多级孪晶、梯度结构和超稳定晶界；非晶合金中的纳米金属玻璃；晶体和非晶复合的超纳结构等。得益于纳米结构设计方法的快速发展，金属结构材料的力学性能提升到了新高度。特别地，通过分析最新研究成果可以发现，相较于纳米结构的特征尺寸大于10纳米的金属材料，当纳米结构的特征尺寸细化至10纳米以下时，材料的微观变形机制会发生显著变化，使得材料的力学性能得到进一步提升。有鉴于此，吕坚院士提出将10纳米作为关键尺度，命名该尺度以下的纳米结构为超纳结构，并强调这是纳米结构金属材料的新领域。

【成果简介】

近日，香港城市大学吕坚院士团队根据其课题组关于纳米结构金属材料的结构设计和力学行为的研究基础，筛选了近200篇相关文献对金属结构材料中的纳米/超纳结构进行了全面的总结和系统的分析探讨。梳理了近年来的重要研究成果，详细讨论了纳米/超纳结构与材料力学性能的内在联系。作者着重对晶体材料、非晶材料和纳米结构复合材料进行了系统深入的讨论，总结了纳米/超纳结构与材料力学性能的关系及其背后的强韧化机理。特别地，超纳材料作为金属结构材料领域的新成员，作者结合已有的研究报道，列举了五项代表性工作对超纳结构进行了详细介绍并且明确定义了其基本特征。此外，作者简述了增材制造和机器学习在纳米结构金属材料设计领域的研究现状和应用前景。最后，作者对纳米结构金属材料的设计开发所面临的机遇与挑战进行了展望。该成果以“Nanostructural metallic materials: Structures and mechanical properties”为题发表在国际著名期刊Materials Today (DOI: 10.1016/j.mattod.2020.04.005)。该论文共同第一作者均为吕坚院士课题组原成员，分别是哈尔滨工业大学（深圳）的孙李刚助理教授、德国马普钢铁研究所的吴戈博士和上海大学的王庆教授，通讯作者为香港城市大学吕坚院士。

【图文解读】

图1 金属材料强韧化的纳米结构总结图 

图2 多级孪晶结构的空间取向分布示意图

图3 多级孪晶金属材料的典型实例

图4 突破金属材料细晶强化尺寸极限的典型实例

图5 调控位错结构实现金属材料强韧化的典型实例

图6 梯度结构金属材料的力学性能

图7 纳米金属玻璃的结构特征

图8 纳米金属玻璃的拉伸和压缩变形行为

图9 纳米金属玻璃的力学性能与变形机制

图10 五种超纳结构的示意图

图11 五种超纳结构的典型实例

图12 21世纪以来高强度金属结构材料的研究进展

图13 先进纳米结构金属材料的微结构与力学性能关系的总结图

图14 各类高性能纳米结构的制备工艺和强韧化机理

图15 金属结构材料中典型异质结构的示意图

【总结与展望】

作者总结了通过设计纳米结构优化金属结构材料力学性能的最新进展，梳理了高性能纳米结构金属材料的制备工艺及其强韧化机理。为了让读者更好地了解超纳结构这一金属结构材料家族的新成员，作者详细总结了其独特的力学特性和广泛的应用前景。此外，作者指出纳米/超纳结构都具有拓扑、物理或化学性质方面的异构性特征。纳米/超纳尺度下的异构设计是金属结构材料力学性能优化的重要核心。近年来，尽管关于纳米结构金属材料的突破性成果屡见不鲜，但对于实际应用而言，仍有很长的路要走。纳米结构金属材料未来的研究面临一些重要的机遇和挑战：（1）发展精准调控纳米/超纳结构的工艺，实现纳米结构金属材料工艺与结构关系的定量可调；（2）发展关联工艺参数与纳米/超纳结构形成规律的制备理论；（3）结合实验表征、计算机模拟和理论模型系统地研究纳米/超纳结构的强韧化机制；（4）金属结构材料中同时存在多种纳米/超纳结构时，揭示不同微结构之间的相互作用机制；（5）在系统建立纳米结构金属材料“工艺-结构-性能-机制”关系的基础上，发展能够满足工业应用的制造工艺。

【文献链接】

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

吕坚院士简介

吕坚，法国国家技术科学院（NATF）院士，香港城市大学机械工程讲座教授、副校长（研究与科技）、周亦卿研究生院院长。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，机械系统仿真模拟设计。曾任法国机械工业技术中心(CETIM)高级研究工程师和实验室负责人，法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系系主任，法国教育部与法国国家科学中心（CNRS）机械系统与并行工程实验室主任，香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授，兼任香港理工大学工程学院副院长，香港城市大学科学与工程学院院长。曾任法国、欧盟和中国的多项研究项目的负责人，并与空客、EADS、宝钢、安赛乐米塔尔、AREVA、ALSTOM、EDF、ABB、雷诺、标致等世界五百强公司有合作研究关系或为它们进行科学咨询工作。曾任欧盟第五框架科研计划评审专家；欧盟第六框架科研计划咨询专家；中国国家自然科学基金委海外评审专家，中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西安交通大学和西北工业大学顾问教授，上海交通大学、上海大学、中山大学、中南大学等大学客座教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得23项欧、美、中专利（含6项PCT拓展专利），在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、 Advanced Science、PRL、Angew. Chem. 等专业杂志上发表论文340余篇，引用24000余次（Google Scholar）。