国内外凝固科学技术的研究现状与发展趋势
香山科学会议第211次学术讨论会综述
以“凝固科学技术与材料发展”为主题的香山科学会议第211次学术讨论会于2003年9月
23日~9月25日在北京香山饭店举行。会议聘请西北工业大学傅恒志院士和清华大学柳百成院
士担任执行主席，我国著名材料学家师昌绪院士和中国工程院院长徐匡迪院士参加了本次会
议并作了报告。会议的中心议题是：定向凝固与晶体生长及材料发展；快速凝固理论与技术
；超常条件下凝固过程与新材料；材料熔体结构与多学科交叉研究。
一、国内外凝固科学技术的研究现状与发展趋势
师昌绪院士在“凝固科学技术与国民经济发展”的特邀报告中，总结了从青铜时代到现
代文明的历程中凝固科学技术的形成与演变，阐明了这一学科领域在国民经济和国防建设中
具有重要作用。报告指出，古代人类文明很大程度上表现在铸造（凝固）技术的进步上，它
把人类推入“铜器时代”与“铁器时代”，成为影响社会生产力发展的关键因素之一。随着
材料的发展，凝固技术不断进步，并成为一门科学。凝固科学与凝固技术相互促进，并进一
步促进先进材料的发展，在国民经济和国防建设中发挥着重要作用。
傅恒志院士作了“凝固科学技术与材料”的主题评述报告，全面总结了凝固科学的主要
理论框架，从材料发展角度评述了定向凝固、单晶连铸、晶体生长、快速凝固和超常凝固等
典型凝固技术的发展状况。并指明凝固科学与技术体系的发展是建立在现代科学的基础上，
不断地以数学、物理、化学及工程科学的新成就充实自己，同时又不断从冶金、晶体生长、
材料科学、空间科学、化工、机械、电子、信息、计算科学等领域汲取营养，迄今已初步构
筑成一个凝固科学与材料凝固加工技术的应用与研究体系，其应用目标是以控制组织结构为
核心，进而控制形状并获得所需要的性能。随着社会需求与科学技术进步的牵引，特别是新
材料与制备加工技术的需要，推动凝固科技向更深、更高、更精细和开发新的、先进的、综
合性更强、超常规的方向发展，并直接推动新材料的研究开发。
凝固开始于液体的形核。周尧和院士全面评述了最近一个世纪中形核理论的建立、发展
和局限性，阐明了当前所广泛应用的经典形核理论有待进一步完善，并建议多从化学作用角
度研究形核过程，期望建立和发展完备的非经典形核理论。报告认为，经过半个多世纪的研
究和应用，经典形核理论在历史上发挥了重要作用并仍在发挥作用，它是简化的定性的形核
理论。通过材料、物理、化学等多学科的
交叉研究和多层次探索，将会形成一个更加完善的
形核理论，对材料的形核控制也会开发出更为有效的方法。
郭景杰、毛协民和刘林三位教授分别就定向凝固这个中心议题介绍了国内外的发展现状
并发表了有益的见解。他们认为，定向凝固理论研究的发展趋势是：从单相合金向多相合金
尤其是复杂的偏晶合金和包晶合金发展，从二元合金向多元合金发展，从低温度梯度向高温
度梯度发展，并越来越重视对流作用下的定向凝固理论模型和数值模拟研究。定向凝固技术
发展的趋势是：不断提高液固界面的温度梯度，并和多种物理场复合作用，以实现液固界面
形态的控制和晶位取向的控制。
二、凝固科学技术的前沿问题
徐匡迪院士在“微滴凝固的若干科学问题”的特邀报告中指出，传统凝固通常存在缩松
、气孔和宏观偏析等问题，造成材料性能低下。为此，他们提出了“微纳液滴凝固”的新思
路。即利用金属微滴的尺寸效应，实现大过冷下的快速凝固，从而获得超细结晶组织，乃至
非晶组织，然后采用热等静压等方法将凝固后的金属细粉制备成金属制品。这种技术可以从
已有的粉末冶金、喷射沉积成型等相近技术中汲取营养，也可以和电、磁、超声等近代物理
手段相结合，开拓出新的凝固技术。
翟启杰教授在“金属凝固细晶技术”的报告中进一步对“微纳液滴凝固”的概念及有关
技术问题进行了进一步的阐述。他认为，通过温度扰动、成分扰动和能量扰动，使金属熔体
微区或整体在偏离平衡状态下形核乃至完成凝固过程，是细化金属凝固组织的有效途径。但
目前人们对上述过程的机理及规律还缺乏系统深入的认识，制约了该技术的应用。他进一步
指出，这一技术的最终应用需要跨学科跨行业的人员共同协作。
任忠鸣教授报告了强磁场下的凝固研究，对强磁场下凝固过程的热力学和组织取向作用
进行了分析，获得了强磁场下凝固相变的热力学关系，分析了强磁场对凝固相变过冷度的影
响，提出“磁致凝固”的新概念。
柳百成院士从多尺度数值模拟角度对凝固过程开展了系统研究，介绍了模拟仿真的发展
趋向，揭示了宏观偏析和微观组织形成规律。他指出，基于知识的材料成形过程的模拟仿真
是材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点。多功能、多学科、多尺度、高精度和高效率
是模拟仿真的努力目标。
徐达鸣教授针对凝固现象是一个涉及或受控于多种物理场，是发生在铸件（锭）、枝晶
以及原子尺寸范围内的多尺度液-固相变过程，为此提出了多尺度多场量耦合条
件下材料凝
固成形的计算模型，认为正是这些多尺度的液-固相变特征与多场量变化的复杂耦合作用共
同决定了材料的凝固行为、结晶组织、缺陷形成以及材料的各项性能。
陈国良院士对非经典结晶理论和液态多组元化学短程序进行了深入研究，介绍了目前正
在发展的非经典结晶形核理论，指出应用非经典结晶形核理论研究铸态块体纳米材料制备技
术的几种主要方法及其重要意义。还介绍了他们提出的多组元化学短程序 (multicomponent
short range order domain) 的概念、实验依据及其基本特征。
三、凝固科学技术与材料发展的密切相关性
当前国际凝固加工已涉及到从传统冶金到人工晶体、纳米、超导、非晶及陶瓷等多种材
料品种和类型，并出现了许多伴随该材料特点的凝固科学与技术及相应的物理化学过程。我
国作为制造大国，理应借鉴国际经验，大力发展有自己特色的凝固科学与技术，
周廉院士和王克光研究员全面介绍了高温超导体组织结构控制的定向凝固技术。为了尽
可能获得工程应用需要的高临界电流密度和排斥磁通能力，在YBCO高温超导实用材料的制备
过程中，发展出了PMP（粉末融化法）、MTG（融熔织构法）、TSMTG（籽晶辅助融熔织构法
）等多种半融化状态下Cu-O平面受控定向凝固（生长）技术，保证了高性能要求的组织结构
条件。
黄伯云院士、杜勇教授介绍了多组元Al基合金体系的的热力学、动力学及数据库的建立
，对Al-Mn-Si三元系热力学和多元系扩散系数进行了研究，并利用以上热力学和动力学数据
库对Al基合金定向凝固和非晶、纳米晶粉末的凝固过程进行了优化设计，取得了很好的效果
。
王华明教授介绍了快速凝固激光材料加工与成形技术及其发展趋势。他认为激光表面快
速凝固已经成为先进材料表面改性、特种涂层材料合成与优质涂层制备的新方法。将激光熔
覆技术与快速原型制造基本原理相结合而发展起来的高性能金属零件激光快速成形技术，是
一种集“材料设计、合成/制备与复杂零件快速成形一体化”低成本快速制造新技术。他预
测该技术在高性能构件制备方面有非常大的发展空间。
介万奇教授介绍了利用凝固原理进行II-VI族化合物光电子材料晶体生长和缺陷控制的
研究方法和成果。以光电子技术为主要应用背景的II－VI族化合物半导体在国防和民用领域
有非常重要的应用。其晶体生长过程的主要目标是获得大尺寸、低缺陷密度和高成分均匀性
的晶体材料。通过传热、传质与对流的综合控制可实现对晶体生长过程的优化，从而保证了
上述质量指标。
陈光和李金山教授通过控制凝固过程，实现了大块非晶和单晶铜线的制备及小批量生产
。陈光教授介绍了大块非晶合金和非晶复合材料的合成新方法，指出了大块非晶合金韧化的
可能途径。李金山教授报告了高梯度定向凝固技术在高性能单晶铜线连铸中的应用，该方法
可生产高强度高导电性铜基线材以及高导电性、高塑性的单晶铜及单晶银。经进一步深加工
，可生产微电机用超细电磁线、电气化铁路用的高性能接触导线、集成电路板框架引线、基
底衬板（铜箔）以及网络导线等高科技产品，具有巨大的应用前景。他们的研究结果引起了
大家的广泛兴趣。
四、凝固科学与多学科交叉
朱震刚、祖方遒和边秀房三位教授采用内耗、激光显微拉曼光谱和X-射线衍射等方法研
究了液态金属的微观结构特征。朱震刚教授认为，物质在熔化或凝固中往往都经过一个软凝
聚态过程，用“软物质”这个物理概念来研究凝固机理和控制软凝聚态来探索获取新型结构
的材料是研究凝固理论的新视角和新途径。他还介绍了采用激光显微拉曼光谱方法和内耗方
法获取固/液界面处软凝聚态的信息的几个实验实例。他的这一新颖观点立即引起了与会专
家的热烈讨论。
祖方遒教授采用内耗方法研究了温度诱导的液-液结构转变，并指出了其对凝固行为和
凝固组织具有显著的影响作用。边秀房教授采用高温熔体X-射线衍射方法研究了不同合金的
熔体结构，发现有的合金熔体存在中程有序结构，而有的只存在短程有序，同时发现金属熔
体中的这种中程有序结构的存在与消失是温度的函数。
刘让苏教授和韩秀君博士分别从分子动力学方面对液态金属凝固过程进行了成功的模拟
计算。刘让苏教授采用分子动力学方法，对含有400,000个Al原子的液态金属大系统在凝固
过程中纳米级大团簇结构的形成、演变特性进行模拟研究，并预测不同结构特征的团簇对后
续凝固过程和组织的影响。韩秀君博士采用分子动力学模拟方法，对深过冷液态贵金属的比
热和密度随温度的变化规律进行了较为系统的研究。
金蔚青研究员和乔芝郁教授分别从流体效应和物理化学角度对凝固问题开展了跨学科研
究。晶体组分均匀性决定了晶体性能，晶体内组分调整又是在生长过程中完成的，因此，了
解在晶体界面附近溶液内的质量输运情况十分重要。金蔚青研究员报告了应用实时观察技术
对KNbO3晶体生长界面的微观对流效应的研究结果，指出微观对流是在边界层内温度和溶质
浓度不均匀而引起的扩散流。乔芝郁教授基于Butler方程设计了STCBE和STCGM
软件，并应用
于各类高温熔体表面张力的计算，还提出了基于Butler方程和Becker模型计算高温多元液－
液体系的界面张力的模型，为凝固过程的定量研究提供了热力学数据。
魏炳波教授对超常条件下凝固过程研究进行了广泛的论述并针对今后的工作提出了建议
和展望。他指出，强电场、强磁场和电磁场在凝固过程中的应用导致了“复合场作用下凝固
技术”的诞生；激光技术的应用带来了“激光熔覆快速凝固技术”；“高梯度定向凝固技术
”得益于高能束和制冷技术的发展；燃烧合成技术引入液固相变过程形成了“特种复合凝固
技术”；采用各种悬浮方法和自由落体技术模拟外层空间的“微重力、无容器、超高真空”
环境可以发展“空间模拟条件下快速凝固技术”；超高压和深过冷条件足以实现“极端非平
衡凝固”。这些新兴凝固技术在材料制备科学技术领域引起两方面挑战：其一，尽管国内外
在近十年中对此开展了不少相关探索，但是将其发展成为真正实用的先进材料制备和成形技
术尚需进行更加深入的研究；其二，它们引发了一系列常规凝固过程中不可能出现的新现象
和新规律，给现代凝固理论带来了严峻的挑战，也孕育着新的理论突破。
五、关于凝固科学技术与材料发展的建议
（1）应充分认识凝固科学与技术的综合性。凝固是一个跨学科的工程与科学领域，涵
括了从铸件、晶体生长、粉末冶金、材料制备到焊接过程、电磁冶金、连续铸轧、半固态成
形诸方面的凝固过程，并且兼有基础科学与工程应用二者的特征，对机械电子、能源、交通
等行业，它提供先进产品或构件及有关前沿技术，而它本身又是凝聚态物理中的重要组成。
（2）应紧密结合材料发展需求。从传统合金、金属/非金属间化合物，各类复合材料到
人工晶体、纳米、超导、非晶及多种功能与结构陶瓷的凝固制备加工，出现了许多伴随该材
料特点的凝固技术及相应的物理化学过程。结合具体材料发展探索特定的凝固规律，将极大
丰富凝固科学与技术的内涵。
（3）加强新兴与超常凝固过程的研究开发。随着对新材料的需求增长，新的制备加工
技术不断涌现。新兴和超常条件下的凝固加工解决了许多材料制备与开发中的关键技术，但
也同时出现了大量新的现象和相应的科学问题，吸引许多材料和基础科学学者的关注。对这
些问题的研究可能导致凝固科学与技术的创新。
（4）注意凝固过程的模拟仿真。开展对凝固过程建模与仿真的研究在今天已有了更为
充实的条件，这是一个解决凝固理论与工程的有效途径
，并为精确控制过程、组织及性能打
下基础。
（5）关注大凝固科学的诞生。凝固已不局限于铸造和焊接领域。从历史演进，从材料
发展，从学科交融，从基础理论以及从凝固本身的内涵与客观需求考虑，凝固应作为大科学
（Big Science）对待，强调它的综合性、基础性、实践性、工程性、前沿性与创新性，从
更高、更广阔的角度来要求它，发展它。
（李增惠 2003/11/12）
参会人员名单：
傅恒志 院士 西北工业大学
柳百成 院士 清华大学
周尧和 院士 上海交通大学
任忠鸣 教授 上海大学
解文军 讲师 西北工业大学
杨院生 研究员 中科院金属研究所
王华明 教授 北京航空航天大学
金蔚青 研究员 中科院上海硅酸盐所
郭景杰 教授 哈尔滨工业大学
贺跃辉 教授 中南大学粉末冶金研究院
陈国良 院士 北京科技大学
介万奇 教授 西北工业大学
乔芝郁 教授 北京科技大学
王元晶 高工 工程院
朱震刚 研究员 中科院固体物理所
石力开 研究员 北京有色金属研究总院
徐达鸣 教授 哈尔滨工业大学
陈 光 教授 南京理工大学
李建国 教授 上海交通大学
边秀房 教授 山东大学
魏炳波 教授 西北工业大学
刘 林 教授 西北工业大学
胡汉起 教授 北京科技大学
李金山 教授 西北工业大学
刘让苏 教授 湖南大学
翟启杰 教授 上海大学
邢建东 教授 西安交通大学
毛协民 教授 上海大学
姜启川 教授 吉林大学
韩香君 博士后 清华大学
杜 勇 教授 中南大学
祖方遒 教授 合肥工业大学
王伟丽 助研 西北工业大学
李双明 副教授 西北工业大学
李晓历 助研 西北工业大学
王克光 教授 西北有色金属研究院
黄培云 院士 中南大学
靳达申 研究员 国家自然科学基金委
师昌绪 院士 国家自然科学基金委
徐匡迪 院士 中国工程院
车成卫 研究员 国家自然科学基金委
李增惠 研究员 香山科学会议
杨炳忻 教授 香山科学会议