《金屬量子材料制備方法、原理與術(shù)語》

ICS77.020

CCSH04

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

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金屬量子材料制備方法、原理與術(shù)語

Preparationprincipleandmethodofmetalquantummaterials

（征求意見稿）

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XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

中國國際科技促進(jìn)會發(fā)布

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金屬量子材料制備方法、原理與術(shù)語

1范圍

本文件界定了金屬量子材料的概念與定性描述，給出了金屬量子材料的設(shè)計原則、制備新技術(shù)與應(yīng)

用、分析與表征、性能檢測、識別指標(biāo)及其精準(zhǔn)辨識技術(shù)、電子結(jié)構(gòu)-原子組態(tài)-搶人雙增間的關(guān)聯(lián)性等

內(nèi)容。

本文件適用于將規(guī)范金屬量子材料及其制備原理與方法，制備金屬量子材料，解決金屬材料強韌雙

增的科學(xué)難題。尋找金屬材料中極大（宏觀性能）和極?。ㄔ咏M態(tài)）間的關(guān)聯(lián)，以及最基本最深刻的

相互作用規(guī)律，揭秘金屬量子材料的量子特性的微觀世界。

2規(guī)范性引用文件

本文件沒有規(guī)范性引用文件。

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

金屬量子材料metalquantummaterials

根據(jù)哥本哈根詮釋以及第一性原理計算和實驗研究，當(dāng)金屬材料中第二相粗大（微米級）時不具有

量子特性，而具有納米級第二相（團(tuán)簇）的金屬材料，當(dāng)所形成的第二相（團(tuán)簇）大小是納米級（≤20nm），

納米相（團(tuán)簇）相互間的間距為納米級（≤100nm），且金屬材料中部分原子以固溶態(tài)形式存在，以及

固溶原子相互間的間距亦為納米級，從而進(jìn)入量子態(tài)，此納米結(jié)構(gòu)的金屬材料具有量子特性，其強度和

塑韌性可同時顯著提升。

3.2

強韌雙增concurrentlystrengthening-toughening

金屬材料的強度和塑韌性同時顯著提升。

3.3

多點微量區(qū)域供給技術(shù)multipointmicroareasupplytechnology

通過在金屬溶液中喂入金屬細(xì)絲（如鈦絲、鋁絲、稀土絲等）或絞絲（如鈦絲、鋁絲、稀土絲等復(fù)

合絲），并分散成多點區(qū)域，同時吹氬加大鋼液對流來調(diào)控熔體中所形成氧化物的界面前沿濃度，從而

控制熔體中氧化物生長速度的技術(shù)，詳見附錄A。

注：如將169根直徑1mm鈦絲絞制成φ13鈦絞絲，喂入鋼液時，分散成多點區(qū)域，同時吹氬加大鋼液對流，即可在金

屬細(xì)絲喂入鋼熔體時形成納米氧化物，形成“多點區(qū)域微量供給”技術(shù)。

3.4

超低溫度梯度細(xì)晶凝固技術(shù)ultralowtemperaturegradientfinegrainsolidification

technology

通過施加復(fù)合剪切力，從而產(chǎn)生耦合流場使金屬熔體能夠充分流動實現(xiàn)鑄型內(nèi)部熔體發(fā)生冷熱交換，

消除金屬熔體、凝固過程中的溫度梯度，從而遏制柱狀晶的生長，進(jìn)而消除宏觀偏析，同時由于金屬熔

體充分流動，消除鑄造缺陷。詳見附錄B。

注：傳統(tǒng)凝固過程中由于金屬熔體邊緣溫度低，中心溫度高，存在溫度差導(dǎo)致溫度梯度，晶粒沿溫度梯度方向生長

成粗大柱狀晶，且溫度梯度越大柱狀晶越粗大，同時在金屬熔體凝固過程中液-固界面前沿溶質(zhì)再分配導(dǎo)致鑄

錠的宏觀偏析，在最后凝固階段由于沒有外部熔體補充導(dǎo)致鑄錠中心縮孔縮松等缺陷。

3.5

微納結(jié)構(gòu)構(gòu)筑constructionofmicro/nanostructures

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采用多點微量區(qū)域供給技術(shù)、超低溫度梯度細(xì)晶凝固技術(shù)等消除金屬材料凝固過程中的溫度梯度，

在熔體中形成原位納米顆粒并在凝固過程中形成微納結(jié)構(gòu)晶粒，抑制柱狀晶的生成，降低脆性相的形成

和尺寸，形成細(xì)小等軸晶、第二相以及夾雜物，改善宏觀偏析，構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)。

3.6

材料分析materialanalysis

對材料內(nèi)在的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行揭示的過程，分析基于試驗或檢測得出材料結(jié)構(gòu)信息和特性數(shù)據(jù)。

3.7

材料表征materialcharacterization

通過對材料結(jié)構(gòu)信息和特性數(shù)據(jù)的加工得出的一種描述或解釋，在材料分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一種主

觀抽象思維，用文字、圖示、模型等解釋和說明金屬量子材料中隱含的內(nèi)在的結(jié)構(gòu)和特性。

3.8

材料性能檢測materialperformancetesting

通過自動化的測試工具模擬多種正常、峰值以及異常負(fù)載條件來對材料的各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試。

4金屬量子材料的概念界定與定性描述

4.1金屬量子材料的概念界定

具有納米級第二相（團(tuán)簇）的金屬材料，而所形成的第二相（團(tuán)簇）大小是納米級，納米相（團(tuán)簇）

相互間的間距為納米級，且金屬材料中部分原子以固溶態(tài)形式存在，以及固溶原子相互間的間距亦為納

米級，從而進(jìn)入量子態(tài)，具有此納米結(jié)構(gòu)的金屬材料稱為金屬量子材料。

金屬量子材料微結(jié)構(gòu)見附錄C。

4.2金屬量子材料的概念定性描述

金屬量子材料中彌散分布的第二相（團(tuán)簇）為納米級顆粒，納米顆粒（團(tuán)簇）相互間的間距亦為納

米級，且金屬材料中部分原子以固溶態(tài)形式存在，以及固溶原子相互間的間距亦為納米級。

金屬量子材料中彌散分布的第二相（團(tuán)簇）見附錄D。

5金屬量子材料的設(shè)計原則

5.1設(shè)計基礎(chǔ)

金屬量子材料微納結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)主要涉及金屬凝固過程中流場、溫度場、濃度場以及相變之間的

相互作用，獲得微納結(jié)構(gòu)形態(tài)演化分析解，從而精確控制在納米-微米-宏觀等不同尺度上多級結(jié)構(gòu)特征。

利用數(shù)學(xué)物理方法獲得流動、溫度和濃度分布以及微納結(jié)構(gòu)形態(tài)與內(nèi)部物理參數(shù)和外部控制參數(shù)之間的

影響規(guī)律，為精確設(shè)計金屬量子材料微納結(jié)構(gòu)提供奠定基礎(chǔ)。

5.2微結(jié)構(gòu)控制理論

金屬材料中第二相和晶粒粗大、組織和性能的不均勻性都與其凝固過程相關(guān)，但是如何從凝固初始

階段控制或抑制以上現(xiàn)象缺乏理論指導(dǎo)，主要原因是現(xiàn)有凝固理論多基于晶體形核后生長中晚期階段所

形成的尺寸較大的第二相、晶?；蛑ЫM織而所構(gòu)建的。綜合考慮熔體流場、濃度場和溫度場的耦合因

素，構(gòu)建了晶體生長初期數(shù)學(xué)物理模型，利用漸進(jìn)分析法對其進(jìn)行了求解，研究發(fā)現(xiàn)晶體形核后生長初

期沿著特定方向向內(nèi)回熔的重大物理現(xiàn)象。并基于上述理論研究，對系列原子級、納米團(tuán)簇進(jìn)行研究，

獲得具有新結(jié)構(gòu)納米團(tuán)簇及納米團(tuán)簇鑲嵌在納米級晶體新型微納結(jié)構(gòu)，為控制金屬量子材料微納組織結(jié)

構(gòu)提供理論依據(jù)。

6金屬量子材料的制備新技術(shù)與應(yīng)用

6.1制備新技術(shù)

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傳統(tǒng)金屬材料生產(chǎn)過程中由于凝固過程中溫度梯度的存在，導(dǎo)致鑄錠中晶粒、第二相及夾雜物粗大

且不均勻，成分偏析以及中心縮孔疏松嚴(yán)重，從而造成材料強度、塑韌性不足以及性能均勻一致性差等，

嚴(yán)重制約強韌雙增金屬材料的開發(fā)及工程應(yīng)用。采用多點微量區(qū)域供給技術(shù)、超低溫度梯度細(xì)晶凝固技

術(shù)等消除金屬材料凝固過程中的溫度梯度，在熔體中形成原位納米顆粒并在凝固過程中形成微納結(jié)構(gòu)晶

粒，形成大量彌散分布的原位納米顆粒，抑制柱狀晶的生成，降低脆性相的形成和尺寸，形成細(xì)小等軸

晶、第二相以及夾雜物，改善宏觀偏析，制備出金屬量子材料。

6.2應(yīng)用

重大裝備輕量化、先進(jìn)軌道交通裝備和未來高端裝備迫切需要強韌雙增的金屬材料，然而在傳統(tǒng)的

經(jīng)典力學(xué)研究領(lǐng)域，只考慮原子間相互作用，在提高金屬材料強度通常導(dǎo)致其塑、韌性下降，提高其塑、

韌性時將導(dǎo)致材料的強度下降，其強度-韌性存在“倒置”關(guān)系，同時提升強度和韌性是高端關(guān)鍵金屬

材料開發(fā)的重大瓶頸問題。通過制備出金屬量子材料，構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)，同時提高材料強度與塑韌性，解

決強韌雙增、材料性能均勻一致性等兩大科學(xué)難題，滿足國防重大裝備、先進(jìn)軌道交通裝備和海洋工程

重大裝備等領(lǐng)域所用材料的重大需求。

強韌雙增效果見附錄E。

7金屬量子材料分析與表征

7.1金屬量子材料分析，對金屬量子材料內(nèi)在的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行揭示，分析基于試驗或檢測得出材料

結(jié)構(gòu)信息和特性數(shù)據(jù)。

7.2金屬量子材料表征，通過對金屬量子材料結(jié)構(gòu)信息和特性數(shù)據(jù)的加工得出的一種描述或解釋，在

金屬量子材料分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一種主觀抽象思維，用文字、圖示、模型等解釋和說明材料中隱含的

內(nèi)在的結(jié)構(gòu)和特性，主要包括金屬量子材料中第二相（團(tuán)簇）結(jié)構(gòu)尺寸、納米相（團(tuán)簇）相互間的間距，

以及金屬量子材料中部分原子以固溶態(tài)形式存在，且固溶原子相互間的間距等。

8金屬量子材料的性能檢測

金屬量子材料的性能檢測，通過自動化的測試工具模擬多種正常、峰值以及異常負(fù)載條件來對金屬

量子材料的各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試，主要包括力學(xué)性能、沖擊韌性、疲勞壽命等性能。

9金屬量子材料的識別指標(biāo)及其精準(zhǔn)辨識技術(shù)

金屬量子材料的識別指標(biāo)及其精準(zhǔn)辨識技術(shù)，通過透射、高分辨、原子探針等檢測分析技術(shù)，深入

分析金屬量子材料中第二相（團(tuán)簇）結(jié)構(gòu)尺寸、納米相（團(tuán)簇）相互間的間距，以及金屬量子材料中部

分原子以固溶態(tài)形式存在，且固溶原子相互間的間距等指標(biāo)進(jìn)行識別，對其微結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)分析。

10金屬量子材料的電子結(jié)構(gòu)-原子組態(tài)-強韌雙增間的關(guān)聯(lián)性

金屬量子材料的電子結(jié)構(gòu)-原子組態(tài)-強韌雙增間的關(guān)聯(lián)性，通過分析金屬量子材料的原子微結(jié)構(gòu)，

并對其力學(xué)性能進(jìn)行檢測分析，構(gòu)建金屬量子材料間的電子結(jié)構(gòu)-原子組態(tài)-性能間對應(yīng)關(guān)系，尋找金屬

材料中極大（宏觀性能）和極?。ㄔ咏M態(tài)）間的關(guān)聯(lián)，以及最基本最深刻的相互作用規(guī)律，揭秘金屬

量子材料的量子特性的微觀世界。

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A

A

附錄A

（資料性）

多點微量區(qū)域供給技術(shù)

本文件涉及的多點微量區(qū)域供給技術(shù)，主要是通過在金屬溶液中喂入金屬細(xì)絲（如鈦絲、鋁絲、稀

土絲等）或絞絲（如鈦絲、鋁絲、稀土絲等復(fù)合絲），并分散成多點區(qū)域，同時吹氬加大鋼液對流來調(diào)

控熔體中所形成氧化物的界面前沿濃度，從而控制熔體中氧化物生長速度的技術(shù)（如：多點微量區(qū)域供

給技術(shù)見圖A.1）。

圖A.1多點微量區(qū)域供給技術(shù)

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B

B

附錄B

（資料性）

超低溫度梯度細(xì)晶凝固技術(shù)

本文件涉及的超低溫度梯度細(xì)晶凝固技術(shù)，主要通過施加復(fù)合剪切力，從而產(chǎn)生耦合流場使金屬熔

體能夠充分流動實現(xiàn)鑄型內(nèi)部熔體發(fā)生冷熱交換，消除金屬熔體和凝固過程中的溫度梯度，從而遏制柱

狀晶的生長，消除宏觀偏析，同時由于金屬熔體充分流動，消除鑄造缺陷（如：超低溫度梯度細(xì)晶凝固

技術(shù)圖B.1）。

圖B.1超低溫度梯度細(xì)晶凝固技術(shù)

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C

C

附錄C

（規(guī)范性）

金屬量子材料微結(jié)構(gòu)

本文件涉及的金屬量子材料微結(jié)構(gòu)，主要指具有納米級第二相（團(tuán)簇）的金屬材料，而所形成的第

二相（團(tuán)簇）大小是納米級，納米相（團(tuán)簇）相互間的間距為納米級，且金屬材料中部分原子以固溶態(tài)

形式存在，以及固溶原子相互間的間距亦為納米級，從而進(jìn)入量子態(tài)，具有此納米結(jié)構(gòu)的金屬材料為金

屬量子材料（如：金屬量子材料微結(jié)構(gòu)見圖C.1）。

圖C.1金屬量子材料微結(jié)構(gòu)

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D

D

附錄D

（規(guī)范性）

金屬量子材料中彌散分布的第二相（團(tuán)簇）

本文件涉及的金屬量子材料中彌散分布的第二相（團(tuán)簇），主要指金屬材料中彌散分布納米級第二

相（團(tuán)簇），且納米顆粒（團(tuán)簇）相互間的間距亦為納米級，且金屬材料中部分原子以固溶態(tài)形式存在，

以及固溶原子相互間的間距亦為納米級（如：金屬量子材料中彌散分布的第二相（團(tuán)簇）見圖D.1）。