5.5　研究分析我國在該領域未來的發展重點

當前，為了節約資源和減少能耗，實現高強度納米結構的加工硬化，發展高強度與優異塑性兼備的高性能納米金屬材料成為全球各國先進材料的前沿研究熱點。多項研究成果已表明多尺度、多層次納米結構構筑可有效提高材料的綜合性能。迄今為止，我國在典型多級納米結構（例如梯度納米晶結構、梯度納米孿晶結構、納米層片、雙相/多相異質納米結構等）的制備、結構-性能關系和強韌化機理方面初戰告捷，引起國際同行的普遍認可和關注。自梯度納米結構概念的提出至今不過10年，再加上梯度納米結構本身的復雜性特點，有關梯度納米結構的綜合力學性能和結構梯度強韌化機制的系統研究仍處在起步階段。

梳理該領域的關鍵科學問題，未來在以下幾方面應予關注：

（1）梯度納米結構金屬的設計和制備技術

與傳統單一尺度的均勻結構不同，梯度納米結構金屬具有組織結構的非均勻和多尺度性特點。結構參數復雜多樣，包括界面類型、幾何形態、尺寸、取向、密度、空間分布、相、成分分布、結構梯度大小、梯度順序等。諸多宏觀和微觀結構參數極大地增加了結構設計和調控的自由度，同時也為其可控制備技術（方法）帶來巨大的挑戰。結合傳統納米結構的主要制備技術，如物理/化學沉積、嚴重塑性變形技術、快速凝固技術和粉末冶金技術及結合后續熱處理等，如何通過實驗手段實現復雜結構的精準調控和宏觀塊體材料的可控制備等面臨關鍵工藝技術難題。通過理論、計算模型預測結合大數據分析也將是解決該問題的有效途徑。高效、便捷、低成本的可控規模化制備加工技術對推動跨尺度納米結構金屬的應用和發展至關重要。

（2）揭示梯度納米結構金屬的本征力學性能

梯度納米結構的結構復雜性決定了其力學性能及規律的多樣性。不同宏觀和微觀結構參數對同一性能往往具有不同的耦合效應，如何澄清控制某一性能的主導結構因素，建立復雜多尺度結構和強度、塑性、加工硬化等綜合性能的本征關系仍有待解決。通過跨尺度理論及計算模擬提出并發展具有普適性的多尺度結構–性能關系模型，建立跨時–空尺度的耦合模型也極具挑戰。

（3）探索梯度納米結構金屬的變形機理

梯度納米結構的塑性變形和微觀結構演變十分復雜。不同尺度結構單元間本身軟硬程度（強度）和變形能力不同，變形時會發生非均勻彈塑性變形、塑性應變的傳遞和協調，同時具有應力梯度和應變梯度。澄清梯度納米結構中不同尺度結構的塑性變形機制以及多尺度結構間變形機制的相互作用和傳遞機制，揭示跨尺度梯度結構額外強化以及變形機制至關重要。通過結合原位測試平臺（如X射線同步輻射技術）和多層次的計算模擬方法（有限元、分子動力學等），從不同尺度上研究梯度納米結構金屬不同變形條件下的微觀組織演變和宏微觀變形特征及影響規律，揭示其獨特的應變協調方式和變形機制，將為通過多尺度梯度微觀結構的設計和構筑，發展高性能結構材料提供堅實的理論指導與支持。

（4）闡明梯度納米結構金屬的使役性能及機理

大部分金屬工程構件尤其是航空航天等飛行器器件往往在復雜交變載荷、高速沖擊、低溫等極端環境下服役并發生失效。然而由于塊體納米結構金屬樣品可控制備困難和測試技術復雜，有關其在復雜使役環境下的疲勞、斷裂等使役行為研究一直相對較少。因此，具有不同宏觀/微觀結構參數的梯度納米結構金屬在交變循環載荷和極端條件下的力學響應特征（如疲勞極限、疲勞壽命、軟化/硬化、斷裂韌性等）使役性能以及其與微觀結構的關系尚不清楚。 深入研究多尺度納米結構材料在極端使役條件下的塑性應變分布、應變梯度分布特點、結構演變、疲勞損傷和斷裂行為特征，理解多尺度納米金屬材料的結構、使役性能以及使役機理的關系，將為發展具有優異使役性能的高強度金屬材料提供新策略，也為推動高性能金屬納米材料在實際極端環境下的應用奠定基礎。

（5）梯度納米結構材料的多功能性能優化

大部分功能材料的光、電、熱、磁等理化性能主要與其成分、電子能帶結構等相關。目前，通過簡單雙相/多相異質納米結構的混合或復合已在部分功能材料中實現了一些原本處于倒置關系的物理性能指標的協同提高，表明多尺度的微觀結構構筑為優化功能材料的物理性能提供了一個新的調控手段，但梯度納米晶結構等多尺度納米結構功能材料的制備技術及結構控制依然面臨巨大挑戰。如何實現從電子與原子層次、微觀（晶格）和宏觀多尺度結構參數的多層次設計和研究，厘清各尺度之間對不同物理性能指標的耦合效應，揭示不同物理性能以及力學性能指標協同提高的關鍵控制因素，建立跨尺度的結構和功能一體化材料系統理論也是材料科學急需解決的關鍵問題之一。

多尺度微觀結構的調控與構筑已成為發展新一代高性能結構材料和功能材料的新策略。其中梯度納米結構材料已彰顯出諸多優異于傳統均勻結構或復合結構材料的力學、物理、化學等綜合性能，展示出巨大的應用潛力。在“十四五”期間，繼續鞏固我國在國際納米金屬研究領域的優勢地位，并在以上涉及納米結構材料關鍵科學問題和前沿研究上及時做好戰略部署齊頭并進，對于推動高性能納米金屬材料在我國社會經濟和工業建設中的應用具有重要意義。