材料科学基础报告 金属材料的发展与展望

金属材料的发展和展望

一、金属材料的发展过程

材料的发展史就是人类社会的发展史，经历了石器、陶器、青铜器、铁器时代。我们正处于多元材料时代，材料、能源、信息是现代社会的三大支柱。金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。金属材料一直扮演着重要的角色，例如陆、海、空、各类运输工具，桥梁、建筑、机械工具，国防重工业等。

金属材料发展的四个阶段：由公元前4300年用金、铜、铁铸造锻打制作出大马士革刀、日本武士剑等原始钢铁到十九世纪铁桥铁路的修筑建立学科基础，又由十九世纪中金属学、金相学发展到合金相图、位错理论等微观组织理论的发展。微观理论的深入研究有原子扩散、马氏体相变、位错滑移，原子显微镜、电子显微镜等新仪器的产生又为进一步研究微观组织提供了可能性，随之产生了表面和界面科学。

材料科学研究了材料的核心关系，即结构和性能的关系，制造工艺决定了材料的结构，结构又决定了材料的性能，性能决定了它的用途。材料科学和技术进入世界科技发展优先领域的第五位。在面临环境保护、节约能源的情况下，新材料便应运而生。

现代金属材料有铝镁合金等先进结构材料、钛铝合金等高温合金材料、复合材料、超导材料、能源材料、智能材料、磁性材料、纳米材料等。材料力学性能有强度、弹性、塑性、硬度等，物理性能有电学、磁学、热学、光学性质等。对材料的研究方向正由力学性能慢慢向物性转变。金属材料具有高强度、优良的塑性和韧性，耐热、耐寒。可铸造、锻造、冲压和焊接，还有良好的导电性、导热性和铁磁性，因此是一切工业和现代科学技术中最重要的材料。

二、金属材料的现状

金属材料作为人类推动社会发展的重要载体之一，作为原料在人类的生产生活中已经被广泛应用，金属材料作为原料具有以下等特征，金属材料本身具备高弹性的模量，金属材料具有高强度的韧性，金属材料的强度硬度是其他同类原料所无法比拟的，在当代金属材料科学的不断成长下金属材料在所有材料的范畴中占据了非常非常重要的位置，在现实中，最常见的金属材料应用的领域有航天航空以及建筑工程等行业。

金属材料机械制造业、建筑业、电子信息等领域都有很大的市场和优势。

汽车的制造上有了高强度钢来制造外形，强度高且质量小的镁合金做发动机、变速箱传动机构等；高强度钢是具有很好的强度和韧性的钢种，在吸能性、应变分布能力和应变硬化特性上远远好于传统钢。与铝、镁这类金属材料相比，具有很好的经济性能，会为企业节省大量的制造成本。由于其有良好的强度和韧性等金属特性，因此被广泛的应用在保险杠、车门槛、车门防撞梁等零件上，它的使用既增加了汽车的安全性，又降低了车身自重。而为了适应轻质材料发展趋势，我们要不断的借鉴国外的先进技术，并结合自身发展需求特点，进行高强度钢的研发。

在建筑领域中，每一次新型金属材料、新型工程技术的出现，都将推动着建筑技术的革新，并对建筑师进行建筑创作，表达建筑美学产生巨大影响。金属材料以其优越的材料性能和独特的视觉效果，已经从建筑中最初的栏杆、扶手等局部装饰构件、建筑内部结构框架，逐渐走向建筑表皮，并决定着建筑所呈现的整体形象，表达着建筑美的意境。如今，金属材料在建筑表皮中扮演着重要角色，对应用金属材料进行建筑表皮的创作与研究，已成为材料科学、建筑学、美学等众多学科争相探索的一个重要课题。

电子产业更是应用金属导电导热的特点。手机金属材料也有巨大的市场，中国厂商也正将产品销往国外。苹果在2001年曾使用钛来制造笔记本电脑的外壳。但因为成本的关系，苹果在之后推出的产品中，再没有再使用钛了。另一款高价位的产品是徕卡相机，采用了钛金属作为外壳材料。事实上，作为消费类电子产品的外壳，钛合金也只是作为一个噱头。一种材料是否“高品质”，更多的是取决于加工工艺。加工工艺很大程度上决定了一个材料的质感，质感决定了使用者的体验。

航天技术的发展不仅带动了我国经济的发展而且还提高人民生活质量，增强我国国防力量。金属材料是我国航天领域发展不可或缺的材料，比其他分子材料硬度高，耐热性好，与无机非金属材料相比，金属材料具有很强的韧性。铝合金、钛合金、镁合金在航天技术中应用很广。

超级钢的诞生：

金属材料既是传统材料又是先进材料，其功能化、复合化、与环境的协调化成为金属材料的发展方向。金属材料的创新拓展了它的应用空间，就比如纳米技术改性的合金是更优化的金属材料。以生产生活为需求去开发新的产品和功能可以不断丰富已有的知识理论，找出更优的产品。在延展性和屈服强度不可兼得的情况下，《科学》杂志8月24日还发表了中国京港台三地科学家的科研成果——超级钢在屈服强度超过2000兆帕时延展性的巨大提升。

汽车轻量化：

汽车轻量化是指在汽车的制造成本不变的情况下，保证其原有的安全、高速、舒适性能，且可降低车身自重，提升汽车的整体机械性能，节能环保减排。汽车轻量化是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成，是汽车性能提高、重量降低、结构优化、价格合理四方面密切结合的一个系统工程。现阶段，在汽车制造中，铝及合金更多的被运用在车轮、动力系和悬架系零部件，虽然起具有很多适合汽车轻量化发展的有点，但是也有一定的不足之处，其承载力、力学性能与钢相比还存在一些差距，另外加之工艺复杂，且受技术限制，造成生产成本较高。镁和镁合金在汽车上的应用主要是以压铸件为主。

防腐蚀尤为重要：

金属与所接触的介质通过化学反应改变金属性质, 对金属设备造成的极大破坏, 称为金属腐蚀。材料腐蚀损伤是机电设备失效的重要原因之一，并造成巨大的经济损失，近期统计结果表明，我国每年因材料腐蚀造成的总经济损失高达5000 亿元，全球每年因腐蚀造成的损失约达7000 亿美元。腐蚀对武器装备的安全可靠性和国防建设有着重要影响，研究腐蚀科学与防护技术，不仅有利于减少经济损失、保护环境，而且还可以保障武器装备的安全可靠性。

新型材料的出现：

NCA材料综合了LiNiO2和LiCoO2的优点，不仅可逆比容量高，材料成本较低，同时掺铝后增强了材料的结构稳定性和安全性，进而提高了材料的循环稳定性，因此NCA材料是目前商业化正极材料中研究最热门的材料之一。NCA具有能量密度高、倍率特性好、低温性能良好等特点，是最具发展前景的高能量密度锂电正极材料之一。国际上从电动车、电池、NCA 正极材料、到前驱体的开发较早，技术更加成熟先进，并且上下游之间已经形成了相互配套的产业链和相对稳定成熟的供应链；而中国国内整体尚处于开发起步阶段，除了前驱体之外，全产业链技术上均存在一定的差距，产业链尚未真正形成。可以预见，国内的前驱体企业和正极材料生产企业会加大研发投入力度，加快提升在高端锂电正极材料方面的技术水平和生产能力，快速进入国外先进电池厂商的供应体系，形成材料配套。

金属铼的熔点高达3180℃，扛拉伸强度超过1172MPa，相当于一平方厘米上承受117

吨重量不变形。此外，该金属最神奇的地方在于高温和急冷急热状态下转换时基本不会出现

热胀冷缩，由该材料制造的发动机喷管可以承受10万次热疲劳循环，是当前世界各国先进发动机制造的首选材料。

液态金属：

在微电子及芯片散热领域，液态金属其实是在切存量市场，旨在替代传统的水（油）循环、热管等散热技术。以笔记本电脑为例，随着芯片集成度的不断提升，热管散热能力已逼近极限。而液态金属可以在成本不变的情况下，将散热效率提升50%。在催化方面，当金属处于熔融状态时，原子的热运动剧烈，热迁移效应显著，使得表面趋近各向同性；体相原子空位多，利于包埋异质原子，且易于切变；流动性好，导致传质迅速。这使得二维材料在液态金属上生长时表现出独特的层数自限制、生长速度快、晶粒拼接平滑等行为。此外，液态金属中自由电子的移动范围更大，在这样一个富含自由电子的表面，化学吸附分子的共价键更易形成，这使其表现出更高的催化活性，在催化异质结生长时也表现出独到的优势。

对金属材料地正确选择、合理使用及利用率的提高是研究工作者要解决的问题。一方面对已有的金属材料要最大限度地提高它的质量，挖掘它的最大效益；一方面开拓出新的功能来适应更高的要求。

三、金属材料的发展趋势

材料向智能化、仿生化、复合化、纳米化、高功能化发展，分子设计和材料设计指导合成和制备具有预期性能和使用效能的材料。

（1）合成与加工技术

合成技术向纯化、细化、强韧化、均质化和复合化的发展；加工技术向特细、特薄、特精、特异和特大的发展；生产技术向高速化、连续化、自动化、紧凑化和近终形化的高效、节能、低耗和低成本发展。

（2）结构材科高性能化

结构材料的塑性、韧性、强度和硬度等达到以分子、原子水平预测和控制的阶段。反应堆、核武器、惯性导航仪系统以及空间飞行器的被结构材料性能更高，铍铝合金可用于机腹翼。

（3）功能材料精细化、微型化和高功能化

交流用超细芯NbTi多线超导材料的芯丝直径到0.1微米以下。钽电容器体积微型化，高比容钽粉愈来愈细，超细钽丝的精加工。NdFeB永磁材料的磁能积愈来愈高。高性能贵金属精密合金和精细复合材料是精细化、微型化和高功能化的典型代表。

（4）能源材料向高效、低耗、少污染方向发展

非晶硅、多晶硅、单晶硅、GaAs提高转换效率、降低成本。

稀土一镍化合物、镁系化合物和钛系化合物贮氢材料。

低温超导材料在质子对撞机、核聚变装置、超导贮能系统、磁浮列车、超导发电机和电动机以及医用核磁共振成像仪等方面得到应用。高温超导电缆倍受重视。

（5）高新技术在合成与加工中相互渗透

“五化”和“五特”等合成与加工新技术，以及在高温、高压、高真空、低温和急冷等村及端条件下的特种加工、恃种熔炼、快速凝固、定向结晶、单晶控制、材料复合、表面改性、纳米技术高能加工、薄膜制备、近终形技术、机械合金化、喷射成型和往射成形等新工艺、新技术、新装备。

（6）材科设计与建模

微观层次，从原子、分子出发，利用分子动力学、第一性原理等方法进行计算模拟。

介观层次材料设计，重点在材料显微组织结构和工艺设计，利用相图计算。

设计、模拟与制备具有新型材料，成为材料科学发展的重要方向。