院士讲材料——纳米金属材料和工程材料纳米化、纳米摩擦材料及应用

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1、主持人：观众朋友，欢迎您来到CETV学术报告厅，十分巧合，我现在所处的地方就是科技会堂里的学术报告厅，中国工程院关于纳米材料与技术的工程科技论坛，于8月29号在这里举行。纳米是一个长度单位，也叫毫微米，它相当于一米的十亿分之一，纳米材料可以理解成由纳米尺寸的微小颗粒所组成的材料，它诞生于80年代，具有奇异的性能和广阔的应用前景，纳米技术有可能成为下个世纪前20年的主导技术，世界各国都给予高度的重视，美国今年年初启动了一项新的国家计划，把纳米技术作为下一个世纪工业革命的核心。我国对纳米材料技术的开发与研究，也取得了重要的进展。

2、为了使观众朋友对纳米技术有更多的了解，我们为您选这次工程科技论坛的部分学术报告，下面请您收看。卢柯：我们现在工程上用的材料，更通俗一点我们的钢到底跟纳米材料有哪些结合，就是这方面现在不光是我们在做出什么事情，我想对国内这个领域大家一些思考和一些尝试，我都把它们放在一块，做一下介绍。就是说现在我们大多数的材料，金属也好，陶瓷也好，都是多晶体材料，就是说你看它的微观结构，它实际上里面都是由晶粒组成的，那么晶粒晶粒之间，在晶粒里边原子排列是完全有序的，周期性排列的，但是这个晶粒之间呢它有可能存在一个界面叫晶界，为什么这里要谈到晶界

3、呢?因为材料的很多性能与晶界有关系，这个晶界的多少直接影响材料的性能，像力学性能，电磁、光等等都和它发生关系，那么晶界的多少呢，大家在教科书上都能看到有这样一个公式：跟它的晶粒尺寸成反比，也就是说晶粒越小，晶界含量越大，那么大概把这关系画出来是这样的，就是说如果我们从毫米级的晶粒，那么晶粒尺寸不断减少，晶界的体积分数越来越多，那么只有到了纳米量级，体积分数才剧烈地上升，所谓剧烈地上升，以前几乎等于没有，因为你除以大晶粒的尺寸的话，大概是ppm量级的，到了微米也都是不到百分之一，而只有到了纳米级这个的百分含量才可以到相当大的量

4、，比如说10%—50%，那么这样的话，实际上整个材料的性能就取决于晶界了，而不一定跟晶内有关。就是说你把这个材料做到这种程度，它的很多性能就跟原来的大块的晶体完全不一样了，这是它最基本的想法，这个想法在80年初期的时候一个叫HerbertGleiter的一个德国教授提出来的，他给出了大概这样一个模型，这个材料会是什么样子，这个材料会变成这样一种样子，因为大多数的原子都处在原子的晶界上，晶内的原子与晶界原子基本相当，那么这个时候材料会有什么性质呢?大家考虑最多的就是力学性能，这个材料的强度会不会提高?因为提高材料的强度，提高它

5、的韧性是我们做传统材料的最关心的问题，那么强度怎么提高呢?我们首先看它最基本的想法，也就是说我们按照以前材料的变形机理，设一个位错运动机理，这里边根据位错机理，位错运动导致材料变形，会有两个结论：一个会有形变强化，就是说产生位错然后它在积累到了这儿，然后把这个材料搞硬，也就是说我们大家通常都知道的，你把一个材料这么加工几下以后，它就马上变硬，硬了也就脆了，最后就断了；另外一个是小晶粒尺寸时，晶粒越小，强度越高，大家都知道的Hall-Petch关系，那么从韧性方面来讲，它的变形机理就是晶界的这种扩散蠕变行为，那么这也跟晶粒尺寸

6、有关，晶粒越小，材料越容易变形.那么变形这件事情对材料的加工特别是对工程加工是非常重要的一件事情，由于材料的成本很大一部分来自于加工，这个变形越容易成本越低，你像在这里晶粒尺寸小到一定程度,它的应变速率非常大的，它是按照103的量级在增加，也就是说，当时Gleiter自己估计按照金属材料的参数估计如果把晶粒尺寸做到10个纳米的话，那么这个材料应该在室温下就可以超塑变形，或应该能够达到超塑变形，这个应该说无论是对工业上还是对科学上都是一个非常重要的问题。那么他当时80年代初期提出这个问题，一直到80年代发表的一些文章包括在Na

7、ture上发展的文章，预测陶瓷也有可能通过晶粒细化提高它的韧性，实际这个是真正引起材料界重视的非常重要的一件事情。那么下边我们看一下到底可以做什么呢?就是根据这些变形基理大概按照我们传统的理论想象一下，如果把一个材料晶粒尺寸做小，它会变成什么样呢?它会既提高它的强度又会提高它的韧性。既能提高强度又能提高韧性这种技术，实际上不多的，那么还可以降低超塑变形的温度，这个刚才我讲了对工业很有影响。另外它的晶粒很小，就有可能没有加工硬化，那么另外还有一些非常特殊的物理特性，非常特殊化学特性，像化学反应等等，通俗一点讲呢，至少可以做成这

8、几件事情。对于结构材料来说，第一个可以把金属做的更强，做得更硬，做得强度高，这个我刚才已经讲了；另外可以把陶瓷做的更韧，就是说韧化陶瓷；另外它的所谓的加工性可能会大幅度的提高。我想由于今天时间原因，我只能局限在工程材料之上，我想这三个问题实际上是目前做纳米结构材料里面最关心的三个问题也是工