结构材料通常被用在各种类型的机械系统中，如果没有最佳性或最优的性价比，很难形成产业化或规模化。先进结构材料基础研究与产业化密不可分，增材制造是结构材料未来发展的重要方向。

　　在第二十二届中国科协年会“先进材料现状与发展趋势研讨会”上，法国国家技术科学院院士、香港城市大学副校长吕坚强调，未来我国先进结构材料创新的最佳途径，就是靠自己的双手做出最高强、韧性最好的材料。

　　先进结构材料基础研究与产业化密不可分

　　结构材料主要应用于不同的机械系统，包括飞机、高铁、机器人以及手机等移动系统，它最大的挑战是机动性与性价比的优化。吕坚指出，“即便是手机、飞机、高铁这种高附加值的产品也要考虑价格”。

　　不难看出，结构材料的难题在于其强度与韧性是两个相互矛盾的要求，如何有效地将这两个要求组合起来是必须应对的问题。

　　2019年，“美国三院”即美国国家科学院、美国国家工程院、美国国家医学院针对材料领域未来发展发布了一份纲领性的文件。这类文件每十年发表一次，此次将基础材料和合金的基础研究、高熵合金及纳米金属材料列为发展的重要材料。

　　吕坚指出，先进结构材料基础研究与产业化是分不开的，“从概念提出到原理性探索、综合性能研究，再到材料最终的应用研究，缺一不可。因此，我们在结构设计、发展新方法、研究多尺度、跨尺度的结构表征，综合结构性能关系和工艺优化、工业应用等领域，都必须做出好的研究，才能够把整体的产业链发展好”。

　　结构材料通常被用在各种类型机械系统中，如果没有最佳性或最优的性价比，很难形成产业化或规模化。我国许多重要的机械系统，如汽车发动机、高铁传动系统、手机等一些关键零部件等均需要进口。如何赶上世界先进水平，发现新的结构材料都是非常重要的研究课题。

　　从材料的角度看，材料的非均匀性是控制材料力学性能、物理性能、化学性能的重要因素。吕坚与团队提出，首先应当研究材料的化学非均匀性，包括各种尺度的析出、多相材料和化学成分的变化。同时也要研究拓扑和物理的非均匀性，包括晶界、孪晶界、晶格畸变、相界、位错墙等。

　　吕坚指出，从纳米结构工程看，从无序金属玻璃发展到有序的纳米和玻璃混合项，其晶力的稳定性、相互作用性和高阶的孪晶、位错的工程，都能在纳米晶材料和非晶材料中实现高强、高韧的要求，因而出现了超纳双向材料，这就是他所提出的一种新型复合材料。

　　近年来全球也研发了许多新型金属结构材料，主要利用不同的增韧机理包括多层材料、梯度材料、混合晶力材料、纳米析出材料、纳米孪晶材料、多级孪晶和超纳双相材料、超纳多相材料等。其中，我国科学家以及华裔科学家对这一新型金属结构材料家族的贡献非常大。

　　而多级纳米结构金属的关键科学问题，则要对结构设计、纳米材料形式原理、演化规律、可控设备及工艺优化、生成材料后的变形机制及综合性调控、工业应用探索等做很多基础性的研究。

　　多种研究成果解决实际问题

　　吕坚团队和合作者主要针对表层梯度纳米材料、多层梯度纳米结构、多向纳米晶及孪晶镶嵌结构，多级纳米孪晶结构及超纳双相结构开展研究。

　　他首先介绍了其研究的多级孪晶材料。香港城市大学先进结构材料研究中心及材料科学国家科学研究中心大湾区研究部的重要研究方向，是先进材料的多尺度力学，即从原子尺度一直做到飞机的大尺度。从材料方面看，则主要研究高熵合金、金属间化合物、金属玻璃、结构纳米材料、超纳材料和3D打印。

　　“我们同时还做材料基因组的研究和一维、二维材料的力学研究；多级纳米材料历年也做了不同的研究并发现了不同的增韧机理；推出了三维多级孪晶材料强韧性非常好。我们还提出了梯度结构，特别是提出了混合的原子相双相和金属玻璃的双相镶嵌结构。在发现不同的断裂机制或者增韧机制的同时，还发现了不同模拟机上的工具，因此可以有效地理解、计算这些材料，同时利用这些材料来做设计。”

　　他们研发的多级孪晶钢板强度不仅高于同类型钢板，而且比传统的钛基合金、铝基合金的强度都要高出不少。

　　“我们发现完全可以形成三级以上的孪晶，五级孪晶或者更高阶孪晶的高强、高韧都可以在材料中得到体现。在孪晶铜、孪晶银中都已经明确发现，高阶的孪晶可以让材料获得更好的高强高韧比。”吕坚表示。

　　超纳材料是由不同类型材料组成的一种新型的结构，它基本的结构尺寸单元小于10纳米。与不同的金属或者纳米结构材料相比，10纳米是非常小的尺寸，同时也是里程碑式的尺寸。

　　这一尺寸下所得到的材料稳定结构，其力学性能、物理性能、化学性能都有一些奇特的性能。吕坚说：“我们有五种不同类型的超纳材料，包括超纳米晶和金属玻璃两类不同的金属玻璃混合，两类不同的金属玻璃交叉混合；还有超纳晶和晶界混合两种不同类型的超纳晶混合，都可以形成不同类型的超纳结构，而这种超纳结构是未来结构材料最重要的研究方向之一。”

　　吕坚与团队成功地将超纳材料在纳米晶金属玻璃双相、高强高韧镁合金、铝合金中得以实现。他指出，这种超纳材料是一种新型的颠覆性材料，其结果发表在2017年5月4日的《自然》杂志封面上，这是中国科学家首次在结构材料上发表的封面文章。

　　“这种新型结构材料的变形能力远超普通镁基合金与镁基金属玻璃，它的力学性能在超纳双相结构下是非常奇特，也是非常有意义的。”吕坚说。

　　最重要的是，他们成功地制备了全致密的超纳双相结构，这一结构也成功地在铝合金上得以实现。这种材料也可以用来做柔性材料，包括高分子材料的弹性部分等。

　　应用要先解决国家需求

　　对于先进结构材料的应用，吕坚指出，研发先进材料最主要的目的是能将其用于某一种机械系统上，“因此我们第一个任务是能够解决国家的需求”。

　　他举的第一个例子是国产航空发动机关键部件的残余应力问题。我国涡轮盘的高温合金机匣等部件，普遍存在由残余应力引起的超预期变形问题，其加工尺寸、精度、装配效率都受到影响，而且使用变形后会影响部件的寿命，导致整机性能受到影响。

　　“因此我们和钢铁研究总院合作，建立了高温合金锻件残余应力的计算与预判方法。在自主开发的系统里头，涡轮盘残余应力梯度降低了70%，加工变形降低1个数量级，效率提升1倍，与国际水平相当，在不同的型号发动机上可以得到全面的推广。”吕坚说。

　　在纳米材料形成预应力的工程中，如何得到可变形机翼是他举的第二个例子。飞机的效率与翅膀的形状有关系，面对不同的速度与不同的空气状况，其形状应该是不同的。但通常情况下，飞机的机翼是不可变形的，吕坚指出，可变形状机翼是未来航空发展的一个重要的方向。

　　吕坚团队最近所研发的一种变形、多稳态结构的材料在同一种情况下，可以有不同的形状。而这一形状改变后，材料结构仍然非常稳定，适合于可变形机翼、可变形几何结构力的机械系统上。

　　“我们可以把这个技术用在航空发动机，或者飞机的翅膀上。在飞机翅膀上，每一个控制点可以有两个不同的形状，N个控制点就可以有2的N次方组合形状。这种调节可以大大改变航空发动机及飞机翅膀的空气动力学，可以得到不同的空气动力学响应以及航空喷气的方向。”

　　自力更生是创新最佳途径

　　在吕坚看来，增材制造是未来结构材料一个非常重要的方向。他们研发的弹性体衍生折纸陶瓷和4D打印陶瓷，可以打印出复杂形状的陶瓷叶片，其抗高温性能非常好。

　　不仅可以打印出折纸陶瓷，而且还能制造出形状特别复杂的各种类型纳米陶瓷。同时，还可以制造出普通方法所制造不出来的几何形状。

　　针对金属3D打印存在孔隙度的问题，吕坚团队通过表面纳米化可以大幅度地降低孔隙度，提高疲劳极限。“特别是能将钛合金的疲劳极限提高将近一倍，大幅度地提高这些材料的力学性能和寿命，让它接近于钛合金锻造结构的强度。”

　　他认为，今后钢铁仍是非常具有发展前途的材料，其次就是各种类型高熵合金。

　　“高熵合金具备非常好的强度和高温抗氧化性能，因此也是未来发展的重要方向。从材料的基础研究来看，我们寻找的材料会越来越接近理论值；同时在合金设计上，我们可以通过高通量综合法、人工智能的方法设计双相超纳结构，从而找到新的超纳结构合金体系。”

　　应变非局域化是结构材料领域未来发展的重大问题，即如何发展新型的结构材料，让它的应变非局域化——包括软硬材料的结合、各种材料的组合等。

　　吕坚表示，不同的工艺会产生不同的机制和组织结构，也会形成不同的增韧结构，可以在多尺度的应用下获得高强高韧的材料。

　　他总结道：“未来研究先进结构材料创新的最佳途径，就是靠自己的双手做出最高强、韧性最好的材料。因此，中国结构材料的发展方向应该是引领世界潮流发展，而变革式创新需要敏锐的眼光、好奇心、信心、恒心、机遇与运气，机遇与运气永远是被有准备的人抓住的。”