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【中國科學(xué)報(bào)】突破極限！她和團(tuán)隊(duì)用微觀“煉金術(shù)”給金屬“改命”

發(fā)布時(shí)間: 2025-04-23
撰稿: 中國科學(xué)報(bào)
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看似普通的金屬里，藏著一個(gè)由無數(shù)微小“積木”搭成的微觀世界，這些“積木”就是晶粒。在發(fā)絲萬分之一粗細(xì)的微觀戰(zhàn)場，中國科學(xué)家正用納米“積木”重塑金屬命運(yùn)。

極限尺寸納米金屬團(tuán)隊(duì)研討工作。受訪者供圖

在中國科學(xué)院金屬研究所研究員李秀艷的帶領(lǐng)下，該所極限尺寸納米金屬團(tuán)隊(duì)?wèi){借“金屬極小晶粒尺寸效應(yīng)”的突破性發(fā)現(xiàn)，將銅、鎳等金屬晶粒壓縮至頭發(fā)絲直徑的萬分之一，讓晶粒在納米尺度下“馴服”能量、重塑結(jié)構(gòu)，甚至賦予金屬前所未有的性能。
因在相關(guān)研究中取得重大突破，該團(tuán)隊(duì)榮獲中國科學(xué)院2024年度杰出科技成就獎(jiǎng)。他們通過自主研發(fā)的極端變形技術(shù)，將金屬晶粒細(xì)化至10納米以下，并發(fā)現(xiàn)了臨界尺寸下晶界自發(fā)弛豫機(jī)制及由此形成的受限晶體結(jié)構(gòu)。
從高溫合金的抗蠕變到受限晶體的超低擴(kuò)散行為，這些發(fā)現(xiàn)不僅在材料科學(xué)領(lǐng)域具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值，還為新型高溫合金、鋁合金及耐磨軋輥等部件的研發(fā)提供了新途徑，為航空航天、高端制造等領(lǐng)域打開了通往未來的大門。
而這一切，始于一場對“不可能”的執(zhí)著追問——當(dāng)晶粒小到極限，金屬究竟是混沌失序，還是孕育著改變世界的秩序？

晶界弛豫：從“不可能”到“顛覆性突破”

金屬材料的晶粒尺寸與晶界穩(wěn)定性的關(guān)系一直是學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。那么，晶粒究竟能有多小？
傳統(tǒng)理論認(rèn)為，晶粒尺寸越小，晶界能量越高，材料結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定。因而晶界被視為高溫合金抗蠕變的“短板”，制約著納米金屬材料的研發(fā)與應(yīng)用。
李秀艷從加入團(tuán)隊(duì)起，就決心打破這一桎梏。
團(tuán)隊(duì)通過自主研發(fā)的低溫表面納米化設(shè)備，成功突破傳統(tǒng)金屬晶粒尺寸極限，將多種金屬的晶粒細(xì)化至40納米以下。在對銅的研究中，他們發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)還沒有被清晰認(rèn)知的晶界弛豫現(xiàn)象——當(dāng)晶粒尺寸達(dá)到小于70納米這一拐點(diǎn)，材料穩(wěn)定性大幅提升，甚至晶粒越小，穩(wěn)定性越高。
在揭示機(jī)理前，學(xué)界普遍認(rèn)為是材料雜質(zhì)產(chǎn)生了該現(xiàn)象?！凹词鼓阕屑?xì)分析材料里有什么、沒有什么，仍被質(zhì)疑是因?yàn)殡s質(zhì)含量低，沒有測出來所致?！钡歉鶕?jù)以往觀察到的一些數(shù)據(jù)，李秀艷和中國科學(xué)院院士盧柯堅(jiān)信，這個(gè)拐點(diǎn)與雜質(zhì)無關(guān)。
于是，李秀艷全身心投入到破解謎團(tuán)中，有時(shí)甚至走路、睡覺都在想。一次她送女兒上學(xué)，因?yàn)橄氲锰珜Ｗⅲ铧c(diǎn)兒把孩子丟了。
轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在某日下班時(shí)，李秀艷靈光閃現(xiàn)：雜質(zhì)通常在材料表面，何不進(jìn)行一組對比實(shí)驗(yàn)，把雜質(zhì)分別附著在晶粒尺寸40納米（團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)能做的最小尺寸）和70納米的材料表面，如果是雜質(zhì)的原因，兩者受到的影響應(yīng)該一樣。但對比結(jié)果表明，40納米材料非常穩(wěn)定，而處于臨界點(diǎn)的70納米材料卻不穩(wěn)定，說明現(xiàn)象的原因不在于雜質(zhì)。
“想到這個(gè)論證辦法的那一刻非常開心。那種喜悅比后來發(fā)《科學(xué)》更讓人回味?！崩钚闫G感慨。
在后續(xù)研究中，團(tuán)隊(duì)終于發(fā)現(xiàn)，晶界弛豫態(tài)純銅的變形機(jī)制是由全位錯(cuò)轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗诲e(cuò)，使晶界遷移速率大幅降低，提高了材料受力下的穩(wěn)定性。并且晶粒尺寸越小，弛豫越充分，穩(wěn)定性也就越高。
晶界弛豫是晶粒尺寸極小化后的必然現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)徹底顛覆了“晶粒越小越不穩(wěn)定”的傳統(tǒng)觀念，為理解金屬的晶界結(jié)構(gòu)提供了全新視角，也為高溫合金的研發(fā)提供了新思路。
團(tuán)隊(duì)成員張寶兵通過引入晶界弛豫效應(yīng)，成功開發(fā)出納米高溫合金，在航空航天領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。這一成果再次發(fā)表于《科學(xué)》。

受限晶體：從數(shù)學(xué)概念到材料革命

在探索金屬極小晶粒尺寸效應(yīng)的道路上，該團(tuán)隊(duì)不斷取得突破。
工欲善其事，必先利其器。在加工裝備上，團(tuán)隊(duì)研制出同時(shí)滿足低溫、高壓、高剪切條件的低溫高壓扭轉(zhuǎn)設(shè)備。在材料研究上，他們在將純銅晶粒細(xì)化至3～5納米時(shí)，發(fā)現(xiàn)材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N全新的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)——受限晶體。
三維周期性極小面結(jié)構(gòu)最早由德國數(shù)學(xué)家施瓦茨在19世紀(jì)提出，受限晶體的晶界網(wǎng)絡(luò)具有三維周期性極小面的特征，因此，具有前所未有的超高熱穩(wěn)定性和超高強(qiáng)度，顛覆了人們對傳統(tǒng)晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。
在發(fā)現(xiàn)晶界弛豫后不到1年，該團(tuán)隊(duì)就在試驗(yàn)中觀察到這種全新結(jié)構(gòu)，但同樣出現(xiàn)了新的問題：難以解析這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
他們又花了兩年時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果又遇到新問題：怎么把觀察到的平面用三維結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來？他們拿乒乓球當(dāng)原子進(jìn)行拼搭，粘了幾百個(gè)，還是沒有實(shí)現(xiàn)；又用3D打印機(jī)打印了很多小結(jié)構(gòu)，想用組裝的方式實(shí)現(xiàn)，依然不奏效。
在一個(gè)春節(jié)假期，有團(tuán)隊(duì)成員突然意識到，新結(jié)構(gòu)應(yīng)該是受限晶體，引發(fā)了激烈討論，大家都認(rèn)為這個(gè)設(shè)想可能性非常大。
在接下來的研究中，團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算模擬驗(yàn)證了這個(gè)想法。“這個(gè)結(jié)構(gòu)肉眼可見了。”李秀艷說。
隨后，他們揭示了受限晶體形成的物理機(jī)制——晶界弛豫首先形成同樣存在于猜想中的Kelvin晶體，然后進(jìn)一步調(diào)整為相應(yīng)的極小面結(jié)構(gòu)，最終形成受限晶體。該成果被《物理評論快報(bào)》選為封面文章。
今年春節(jié)前后，該團(tuán)隊(duì)因首次發(fā)現(xiàn)納米尺度下 Kelvin 晶體的存在，再次在《物理評論快報(bào)》發(fā)表成果。他們同時(shí)還證實(shí)，受限晶體是比Kelvin晶體更穩(wěn)定、更普遍的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。
受限晶體的發(fā)現(xiàn)表明，在單晶和非晶之外還存在其他亞穩(wěn)固態(tài)，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于非晶，而強(qiáng)度遠(yuǎn)高于單晶。鑒于目前已經(jīng)在十余種金屬中發(fā)現(xiàn)了受限晶體，說明其可能是金屬細(xì)化到晶粒尺寸極限時(shí)的一種普遍選擇，為新型金屬材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了新方向。
團(tuán)隊(duì)成員徐偉因發(fā)現(xiàn)受限晶體鋁合金具有超低原子擴(kuò)散率，能夠顯著抑制合金中擴(kuò)散主導(dǎo)的相析出、調(diào)幅分解和熔化等動(dòng)力學(xué)過程，攻克了高溫下金屬高原子擴(kuò)散率帶來的不穩(wěn)定性難題。成果同樣發(fā)表于《科學(xué)》。
團(tuán)隊(duì)成員羅兆平在3～8納米晶粒的穩(wěn)定面心立方結(jié)構(gòu)純鎳中，發(fā)現(xiàn)了密排六方結(jié)構(gòu)的異常相變，表明晶粒尺寸極小時(shí)，可能誘發(fā)某些金屬晶體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。該成果發(fā)表于《材料學(xué)報(bào)》。

從實(shí)驗(yàn)室到工廠：星星之火，可以燎原

晶界弛豫、受限晶體結(jié)構(gòu)和異常相變等效應(yīng)表明，極小晶粒金屬結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)了前所未見的變化，為固體結(jié)構(gòu)探索開辟了新空間，也可能為金屬帶來新的獨(dú)特性能。
“基礎(chǔ)研究的價(jià)值在于應(yīng)用?！眻F(tuán)隊(duì)成果不僅停留在理論層面，還成功轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。
團(tuán)隊(duì)與中鋁西南鋁業(yè)合作開發(fā)出表面晶粒約30納米的軋輥，替代傳統(tǒng)鍍鉻輥，顯著降低了成本和環(huán)境污染。目前，該納米軋輥已在西南鋁業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)鋁卷2萬余噸，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。
“過去鋁箔軋輥需要鍍鉻，既昂貴又不環(huán)保。我們的技術(shù)只需在現(xiàn)有工藝上增加一道處理工序，在降低成本的同時(shí)大幅提升性能?！毙靷ソ榻B。
此外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)出表面晶粒約20納米的一些關(guān)鍵零配件，大幅提升其耐磨蝕性和穿透性。相關(guān)產(chǎn)品已通過用戶測試。
高溫合金領(lǐng)域的應(yīng)用同樣令人期待。通過晶界弛豫和受限晶體效應(yīng)，團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出高性能納米晶粒高溫合金。這種合金在不添加貴金屬的條件下，顯著提升了高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能，為航空航天領(lǐng)域的自主可控提供了有力支撐。
“我們的高溫合金樣品目前只有厘米級，但已展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)合金的性能?！崩钚闫G表示，團(tuán)隊(duì)正在與企業(yè)合作，探索如何在更大尺寸部件中實(shí)現(xiàn)性能調(diào)控。
該團(tuán)隊(duì)取得的一系列成果，離不開對科學(xué)真理的執(zhí)著追求和對未知領(lǐng)域的勇敢探索?！按蠹揖褪潜粚茖W(xué)的熱愛和對真理的追求所驅(qū)動(dòng)，不停前進(jìn)。”羅兆平說。

面向未來，團(tuán)隊(duì)充滿信心。“我們將繼續(xù)探索極小晶粒尺寸效應(yīng)的更多可能性，特別是在導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能上的特殊表現(xiàn)?！崩钚闫G表示，團(tuán)隊(duì)希望為材料科學(xué)貢獻(xiàn)更多“從0到1”的原始創(chuàng)新，為國家科技自立自強(qiáng)提供堅(jiān)實(shí)支撐。“科學(xué)的魅力，在于從‘無人區(qū)’中尋找答案?！保ㄓ浾撸簭堥?/p>

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