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1、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02059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
3、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，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
4、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Herbert Gleiter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
5、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
6、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Nature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
7、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作最多的，你去看文章的百分之七八十都集中在这些问题上。那么现在做到什么程度呢?比如说这个铝合金，大家都知道铝合金非常好，
8、但是它最大的缺点就是太软了，俗话说太软了，它到底软到什么程度呢？我们纯铝特别地软，它的强度也就是两三百个MPa。普通的纯铝大概是在毫米量级厘米量级这样的晶粒尺寸，如果我们把晶粒尺寸降低到微米量级，它基本上属于超高强铝合金了。超高强度铝合金它可以达到五六百个MPa，也就是五六十公斤的强度。这跟钢的强度差不多，这个实际上在工业可以做到。同时实际上我们把铝合金如果做到纳米级，晶粒尺寸做到10个纳米左右的话，它的强度已经能达到1500MPa以上，1500MPa实际上比我们现在的超强钢还要高，但是铝的密度只有钢1/4到1/3。如果你考虑一下比强度的话，也就是单位密度的强度的话，那么这个材料已经跟陶瓷的性
9、能差不多了，我这是画了一个简单的密度和强度的关系，我们普通的材料无论是从钢还是钛合金、镁合金到聚合物，这是密度越来越小，强度也越来越低，基本上在一条线上，那么跟这不在一条线上的是陶瓷，陶瓷强度是非常高的，它强度是非常高，但陶瓷就是有韧性的问题，那么铝合金更高，它的密度在这个点，如果铝合金能够做到1500MPa的话，相当于把铝合金在同样密度的条件把它的强度提高到这一带，那么现在也有人提做出了镁合金也可以提高到1000MPa。你把这条线再连起来的话，你会发现接近纳米金属，如果把镁合金铝合金钛合金包括钢都做到纳米级的话，它的强度整个会上一个档次上。但是上到什么档次上？到了跟工程陶瓷的强度和密度比在一
10、个档次上。但是金属有非常大的优点，就是它的可加工性和再生性，所以这个在工程上我觉得做纳米金属的工程合金的确有非常潜在的非常巨大的应用前景。那么钢这件事情，我们大概估算了一下，如果按照铝合金这种情况的话，如果经过纳米化以后，钢的最后的强度呢的确也可以大幅度提高。那么现在大家都知道前阶段做的最热闹的是超级钢计划，这是在日本提出的，它们的核心之一就是要把某一类钢的晶粒尺寸降低到一个微米以下，这是达到现在超级钢目标一个最核心的技术，现在几十个微米它是可以很容易做到的，那个一个微米以下这个强度和它整个的性能会大幅度提高。 所以就整个纳米金属的发展看，如果单从强度上看是会要走到这条线上，那么现在看看到目前
11、为止能做到什么程度，我们已经做了这几十年了，应该说是十多年了，能做到什么程度，看看在实验室里的最简单的实验。美国人做的这个铜，它做了一个30纳米的铜，与50个微米普通的铜比较，这是它的拉伸曲线，你可以看到很明显的强度提高，这当然是实验室的结果了，它的样品非常的小，用大概只有一个厘米大小的小样品来测的，我们现在把它做到更大一样，做铝合金的强度，就是纯铝，纳米纯铝，这在我们实验室做的，蓝颜色的拉伸曲线是普通铝的，它的强度非常的低，如果做到纳米铝的话，它的强度强可以提高接近一个量级吧，而且它还有比较好的韧性，可以达到接近10%左右的延伸率，这是因为这个样品也很大的，已经到了几个厘米了，所以得到的性能
12、现在大家认为是比较可信的性能。所以说强度的提高看来是肯定了。但是现在大家看一看韧性并不是特别好，我后边还要讲韧性的问题。 那么强度的提高是不是按照我们传统的那个关系来走呢？是不是晶粒越小强度就一直会升上去呢？这方面实际上前十多年做的最多，但发现并不完全是这样，有的材料呢，就是晶粒越小强度的确是越来越高，有的材料呢晶粒小到一定程度，强度还掉下来，就是说它在这儿有一个弯折，那么这个级就非常有意思。我们并不是一味地去追求晶粒尺寸的减小来得到强度，而是在某一个地方的时候会有一个最佳值，那么这个给我们做材料的人来说就提供了一个思考的机会。就是说我们一味追求什么，比如追求纯度一直要非常的纯，追求晶粒小就一
13、直要晶粒小。只有在一定的晶粒尺寸的时候才会表现的最佳，所以现在强度和硬度它的性能有这种行为。那么如果在其他的性能里面应该也有这种行为的话，我们就应该去把我们要用什么性能我们就把它的晶粒尺寸调节到什么范围，而这种调节呢是不需要增加化学成分的，只需要调节晶粒尺寸，所以这个对做材料研究的人又是一个新的问题。这方面最近做的比较多，就是说真正“理想”的纳米材料是很难做到。你做的材料总是不是有这个缺陷，就是有那个缺陷，有孔隙啊，有杂质啊，现在做的比较多呢就是从材料科学的角度讲就是做模拟，就是在计算机里构成这样一个材料，然后我们来看这个材料到底是怎么变形的。因为纳米材料不同的性能呢，它表现出完全不同的力学行
14、为，那么用计算机里模拟发现，在室温下这种纳米材料的变形已经不再是位错控制，就是说我们传统的理论已经不再发生了，而是大量的晶界的行为运动，这个就是超塑变形的机制，也就是在理论上在室温下有很好的超塑变形性。 那么在计算机上做拉伸曲线，发现就是Hall-Petch关系也是反常的，晶粒越小它的强度越来越低。因为它做的晶粒非常的小，它做不太大，从3个纳米到7个纳米，因为这个晶粒要做大的话，计算机的容量已经是不得了的。但最近听说瑞士他们可以做到15个纳米，那么15个纳米已经接近于实验室的规模，实验室做纳米金属大概可以做到十多个纳米到二十个纳米，所以下边理论跟实践的接结合点可能就要多一些，还有一个问题就是我
15、刚才讲到它的超塑变形温度要降低，这个也是奋斗了十多年一直找不到这样的体系，一直到了99年的时候，美国人和俄罗斯人合作在这个体系里找到一些非常好的结果。它用电解沉积的金属材料来做的这个实验，因为纯金属的超塑变形温度通常是在熔点的一半的左右才有可能，就是到很高的温度下才可以超塑变形，这就是我们加工的时候总要到高温下去加工，但它现在呢它可以在熔点的36%的时候就可以发现有超塑变形。这里面你看一下，这个36%就是这条线，你看一下这个样品的确是变形非常明显的。那么这个真正是通过降低样品晶粒尺寸大幅度的降低超塑变形温度，这个对于节能同，对于它的加工很有效。因为现在很多加工不能做，不能进行超塑加工，你能加热
16、到这个温度，它里边组织已经变了，所以大家都不敢用它来做加工。现在它可以降低温度，虽然是一点点Nature也登这篇文章，他的文章主要核心就是说明它对材料工业的发展、对材料的加工具有十分重要的意义。下边一个例子是我们去年做的，就是说纯金属到底室温下能不能超塑变形，这也是我们一直想要知道的。 那我们做了一个电解沉积的铜，大概晶粒尺寸是30纳米，这个30纳米的铜我们把它切下了一块，因为这个是目前国际上做的最大的一块的纳米铜样品了，我们做这么大一片两个毫米厚，然后把这个材料在室温下像压面条这样压制，普通的材料你压制几遍以遍就开始裂了，因为它有硬化就断了，而这个材料你不断的压，它可以一直这样变形，在室温下，室温相当熔点的24%，这是在非常低的温度下可以是实现的超塑变形，所以这件事当时做出来以后，Gleiter马上说这是第一次真正的无孔隙的纳米材料样品的变形，真正告诉大家纳米材料是怎么变形的，以前没有看到过这样的现象，那么这个可能对后面对它的
