材料是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。上世紀70年代，人們把信息、材料、能源作為社會(huì )文明的支柱。隨著(zhù)高技術(shù)的興起，又把新材料與信息技術(shù)、生物技術(shù)并列作為新技術(shù)***的重要標志。如今，材料已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。

　　在工程領(lǐng)域，上世紀50年代的工程材料以金屬材料為主，但由于其比強度及比剛度較低，金屬材料在當今工程結構材料中所占的份額日益減少。在把重量作為主要考慮因素的應用領(lǐng)域，例如航空及運動(dòng)器材等，金屬逐步被其他輕質(zhì)高強材料所替代。

　　在這種趨勢下，未來(lái)金屬材料是否會(huì )被其他材料完全取代？金屬材料的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？金屬材料發(fā)展的出路在哪里？哪些領(lǐng)域將對金屬材料有需求？

　　在4月16日出版的美國《科學(xué)》雜志上，中國科學(xué)院院士、中科院金屬研究所所長(cháng)盧柯的特邀文章《金屬材料的未來(lái)》給出了上述問(wèn)題的答案，并就金屬材料的特性及其未來(lái)應用的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

　　比強度及比剛度較低，是金屬材料在未來(lái)需要改進(jìn)的一個(gè)重要方向。長(cháng)期以來(lái)，金屬材料界一直致力于提高金屬材料的強度。通常，強化金屬的途徑是通過(guò)控制生成內部缺陷和界面來(lái)阻礙位錯運動(dòng)，如固溶強化、彌散強化、細晶強化等，但這些強化方式往往會(huì )降低材料的塑性和韌性，也可能導致其他性能如導電性和抗腐蝕性能的降低。

　　在增加金屬材料強度方面，細化晶粒雖能強化金屬又不損失其韌性，但是當晶粒尺寸細化到亞微米時(shí)，強度的增加往往伴隨著(zhù)塑性和韌性的降低。

　　盧柯認為，近期有研究發(fā)現在低合金鋼中利用多級各向異性納米結構可以同時(shí)實(shí)現高強度和高韌性，這為同時(shí)提高金屬材料的強度和韌性開(kāi)辟了一個(gè)新途徑。此外，具有多級復合結構的納米孿晶金屬也表現出***的綜合力學(xué)性能，例如納米孿晶銅的強度是粗晶銅的10倍并具有很高的塑性，而其導電率與高導銅相當，抵抗電遷移的能力極高，該材料在微電子行業(yè)有巨大的應用前景。

　　金屬的腐蝕是金屬材料的另一大問(wèn)題，通過(guò)表面涂覆一層耐蝕材料或形成保護性鈍化膜可實(shí)現防腐，也可通過(guò)改變表層的化學(xué)成分提高金屬耐腐蝕性能，但這種方法往往需要在高溫下進(jìn)行，從而導致金屬基體性能的惡化。

　　表面機械研磨處理可細化表面晶粒至納米量級，可使處理溫度顯著(zhù)降低。此外，金屬在高溫下強度降低也是其一大弱點(diǎn)。高溫合金的使用溫度較高（鎳基合金可達1150攝氏度），可在航空渦輪發(fā)動(dòng)機等高溫環(huán)境下使用。研究人員正在研發(fā)以Mo和Nb等難熔金屬為基的高溫合金以進(jìn)一步提高使用溫度。

　　盧柯認為，盡管金屬材料存在上述缺點(diǎn)，但由于金屬材料自身所具有的一些獨特性能，它仍將是我們當今社會(huì )的承載主力，是不可替代的。

　　原因主要體現在幾方面。首先，由于金屬的斷裂韌性較其他材料高得多，因此金屬材料往往被用作對可靠性和持久性要求***高的關(guān)鍵部件上。

　　其次，金屬在各個(gè)方向上的性能一致，拉伸和壓縮強度基本相同。金屬的失效強度通?？梢灶A測，這對于預測工程結構的斷裂極為重要?！跋喾?，目前人們難以準確預測復合材料和陶瓷的斷裂強度，而這些材料的失效，經(jīng)常是災難性的瞬時(shí)斷裂，可能導致嚴重的經(jīng)濟損失或人員傷亡。因此，許多先進(jìn)技術(shù)仍依賴(lài)于高性能金屬材料?！北R柯說(shuō)。

　　此外，大多數金屬的導電性均高于陶瓷和高分子，銅和鋁仍是電力傳輸的***佳材料。同時(shí)，金屬還具有其他材料所不易具備的優(yōu)異磁學(xué)性能。金屬在從低溫至幾百攝氏度的溫度范圍內均具有良好的綜合力學(xué)性能，這些溫度正是大多數的化工、能源、發(fā)動(dòng)機等工業(yè)機械工作的溫度區間。大多數的金屬都可回收利用，這對大量應用的材料來(lái)說(shuō)十分重要。

　　盧柯指出，現代工業(yè)技術(shù)發(fā)展不僅依賴(lài)于金屬的這些優(yōu)異性能，而且還急需開(kāi)發(fā)性能更高的金屬材料。提高金屬的強度而不損失其他性能，對提高金屬材料的競爭力尤為重要。

　　“多尺度多級結構組裝可能是優(yōu)化金屬材料綜合性能的一個(gè)途徑。金屬材料可以與其他材料結構進(jìn)行復合——通過(guò)獨特的多級組裝等方式將金屬與其他材料組裝，可以得到***佳的強度韌性配合。各類(lèi)不同材料通過(guò)這種方式取長(cháng)補短，能夠實(shí)現綜合性能的提升?！北R柯說(shuō)。