5.3　我國在該領域的學術地位及發展動態

我國在納米結構金屬材料領域的基礎研究長期處于國際領先地位。過去30余年中不僅有大量高水平研究工作在Nature，Science等國際頂級學術期刊上發表，還培養了一大批未來有很大發展潛力的青年學者。材料領域相繼發展的多尺度納米結構金屬材料，尤其是納米孿晶材料、梯度納米結構金屬、納米層片結構、低錯配度納米結構和高密度位錯鋼鐵材料等，均表現出優異的綜合力學性能，這些工作奠定了中國在材料科學、物理冶金及塑性變形領域的國際領先地位。

中國科學院金屬研究所盧柯院士研究團隊在2011年率先提出梯度納米結構金屬的概念并利用自主研發的表面機械碾磨處理技術在純Cu棒材表面首次制備出厚度可達數百微米的表面梯度納米結構層[42]。這種通過梯度納米結構構筑實現高強度和高拉伸塑性兼備的優異綜合性能為發展高性能工程結構材料開辟了一條全新的道路。迄今為止，梯度納米結構已成為了金屬材料領域的研究熱點和前沿方向，國內外有幾十個科研機構及大學從事該方向研究。其中國內從事該方向研究機構包括中國科學院金屬研究所、中國科學院力學所、清華大學、浙江大學、重慶大學、北京理工大學、南京理工大學、北京科技大學、四川大學、香港大學和香港城市大學等近二十家科研院所。一大批美國和歐洲頂尖高校和科研院所，如美國的Massachu-setts Institute of Technology、Johns Hopkins University、Georgia Institute of Technology、North Carolina State University、University of California，德國的Max-Planck-Institut für EisenforschungGmbH、University of Erlangen-Nürnberg，丹麥Technical University of Denmark等科研機構也有諸多學者相繼在該領域開展研究。

經過近10年的發展，在梯度納米結構材料領域產生了一大批重大的基礎研究成果。 2014年，盧柯院士應邀為Science撰寫題為“Making strong nanomaterials ductile with gradients”的PERSPECTIVE論文，全面介紹了梯度納米結構金屬的性能和變形機制特點。2020年，新加坡南洋理工大學高華健教授、清華大學李曉雁教授及中科院金屬研究所盧磊研究員應邀為Nature Reviews Materials撰寫綜述性論文“Mechanical properties and deformation mechanisms of gradient nanostructured metals and alloys”。近期Scripta Materialia也專門策劃了一期有關“非均勻梯度和層狀材料（Heterogeneous gradient and laminated materials）”Viewpoint set文章，多位中國學者就其最新研究成果或理解撰文。這些綜述文章系統總結了過去10年梯度納米結構金屬材料領域取得的最新進展，并對其未來的發展方向進行了展望和評述。

當前，梯度納米結構材料涉及的納米金屬材料制備工藝與技術、微觀結構表征、性能測試等均有其獨特之處。優異的綜合性能為梯度納米結構材料帶來巨大的應用潛力。梯度納米結構作為替代傳統合金化來發展高性能納米金屬材料的新策略，是目前全球各國先進材料的前沿研究熱點，競相逐力為本國傳統產業技術升級和高端裝備制造等戰略性新興產業提供材料支撐。梯度納米結構材料研究方向呈現出以下新的發展特點：

（1）梯度納米結構的概念不斷向多層次、跨尺度的多級耦合方向發展

受梯度納米結構概念的啟發，目前已發展出（如梯度納米層片結構、三明治結構、Harmonic 等）多種多級多尺度非均勻納米結構，普遍具有優異的力學性能，比如高強度和塑性、額外加工硬化、耐磨性等，這些是傳統均勻結構或者簡單混合結構所不具有的。對于多級多尺度非均勻結構而言，其微觀結構復雜多樣，涉及諸多結構參數，不僅包含晶粒尺寸、形貌、晶界類型、密度、取向等微觀結構參數，還包含空間分布、梯度順序、體積分數等宏觀結構參數。這種跨尺度、多層次的微觀設計、調控將為優化材料的綜合性能提供更多的可能性。

（2）基于結構單元構筑和跨尺度設計的梯度納米結構

過去有關均勻結構的微觀結構-性能關系研究較多，變形機制相對清晰。基于結構單元構筑及設計的跨尺度梯度納米結構雖已展示出優異的綜合性能，體現出空間結構參數（如結構梯度）對材料宏觀性能優化規律，但其本征變形機制的研究有待深入。隨著對梯度結構強韌化機理理解的加深，未來按需設計結構單元序構的思想將為探索具有變革性和顛覆性高性能梯度材料提供更大的空間。超級計算機的發展和計算模擬技術進步使得跨尺度結構單元的設計和模擬成為可能。如何結合實驗和模擬實現從原子層次到宏觀材料行為的多層次設計、表征和測試研究，揭示梯度結構單元序構的耦合和協同關聯效應，建立跨尺度材料系統理論也是材料科學急需解決的問題。

（3）梯度納米結構材料的多功能優化

近年來，跨尺度非均勻納米結構設計理念也逐漸被用來優化功能材料的聲、光、電、熱、磁等物理性能，在部分功能材料中也實現了一些原本倒置性能的協同提高。隨著社會的發展，對于結構材料和功能材料綜合性能的要求愈加突出。通過梯度納米結構構筑，實現材料的力學、物理、化學、生物兼容性等的協同提高，實現器件或構件多功能化是未來材料領域的發展趨勢之一。