5.5　研究分析我国在该领域未来的发展重点

当前，为了节约资源和减少能耗，实现高强度纳米结构的加工硬化，发展高强度与优异塑性兼备的高性能纳米金属材料成为全球各国先进材料的前沿研究热点。多项研究成果已表明多尺度、多层次纳米结构构筑可有效提高材料的综合性能。迄今为止，我国在典型多级纳米结构（例如梯度纳米晶结构、梯度纳米孪晶结构、纳米层片、双相/多相异质纳米结构等）的制备、结构-性能关系和强韧化机理方面初战告捷，引起国际同行的普遍认可和关注。自梯度纳米结构概念的提出至今不过10年，再加上梯度纳米结构本身的复杂性特点，有关梯度纳米结构的综合力学性能和结构梯度强韧化机制的系统研究仍处在起步阶段。

梳理该领域的关键科学问题，未来在以下几方面应予关注：

（1）梯度纳米结构金属的设计和制备技术

与传统单一尺度的均匀结构不同，梯度纳米结构金属具有组织结构的非均匀和多尺度性特点。结构参数复杂多样，包括界面类型、几何形态、尺寸、取向、密度、空间分布、相、成分分布、结构梯度大小、梯度顺序等。诸多宏观和微观结构参数极大地增加了结构设计和调控的自由度，同时也为其可控制备技术（方法）带来巨大的挑战。结合传统纳米结构的主要制备技术，如物理/化学沉积、严重塑性变形技术、快速凝固技术和粉末冶金技术及结合后续热处理等，如何通过实验手段实现复杂结构的精准调控和宏观块体材料的可控制备等面临关键工艺技术难题。通过理论、计算模型预测结合大数据分析也将是解决该问题的有效途径。高效、便捷、低成本的可控规模化制备加工技术对推动跨尺度纳米结构金属的应用和发展至关重要。

（2）揭示梯度纳米结构金属的本征力学性能

梯度纳米结构的结构复杂性决定了其力学性能及规律的多样性。不同宏观和微观结构参数对同一性能往往具有不同的耦合效应，如何澄清控制某一性能的主导结构因素，建立复杂多尺度结构和强度、塑性、加工硬化等综合性能的本征关系仍有待解决。通过跨尺度理论及计算模拟提出并发展具有普适性的多尺度结构–性能关系模型，建立跨时–空尺度的耦合模型也极具挑战。

（3）探索梯度纳米结构金属的变形机理

梯度纳米结构的塑性变形和微观结构演变十分复杂。不同尺度结构单元间本身软硬程度（强度）和变形能力不同，变形时会发生非均匀弹塑性变形、塑性应变的传递和协调，同时具有应力梯度和应变梯度。澄清梯度纳米结构中不同尺度结构的塑性变形机制以及多尺度结构间变形机制的相互作用和传递机制，揭示跨尺度梯度结构额外强化以及变形机制至关重要。通过结合原位测试平台（如X射线同步辐射技术）和多层次的计算模拟方法（有限元、分子动力学等），从不同尺度上研究梯度纳米结构金属不同变形条件下的微观组织演变和宏微观变形特征及影响规律，揭示其独特的应变协调方式和变形机制，将为通过多尺度梯度微观结构的设计和构筑，发展高性能结构材料提供坚实的理论指导与支持。

（4）阐明梯度纳米结构金属的使役性能及机理

大部分金属工程构件尤其是航空航天等飞行器器件往往在复杂交变载荷、高速冲击、低温等极端环境下服役并发生失效。然而由于块体纳米结构金属样品可控制备困难和测试技术复杂，有关其在复杂使役环境下的疲劳、断裂等使役行为研究一直相对较少。因此，具有不同宏观/微观结构参数的梯度纳米结构金属在交变循环载荷和极端条件下的力学响应特征（如疲劳极限、疲劳寿命、软化/硬化、断裂韧性等）使役性能以及其与微观结构的关系尚不清楚。 深入研究多尺度纳米结构材料在极端使役条件下的塑性应变分布、应变梯度分布特点、结构演变、疲劳损伤和断裂行为特征，理解多尺度纳米金属材料的结构、使役性能以及使役机理的关系，将为发展具有优异使役性能的高强度金属材料提供新策略，也为推动高性能金属纳米材料在实际极端环境下的应用奠定基础。

（5）梯度纳米结构材料的多功能性能优化

大部分功能材料的光、电、热、磁等理化性能主要与其成分、电子能带结构等相关。目前，通过简单双相/多相异质纳米结构的混合或复合已在部分功能材料中实现了一些原本处于倒置关系的物理性能指标的协同提高，表明多尺度的微观结构构筑为优化功能材料的物理性能提供了一个新的调控手段，但梯度纳米晶结构等多尺度纳米结构功能材料的制备技术及结构控制依然面临巨大挑战。如何实现从电子与原子层次、微观（晶格）和宏观多尺度结构参数的多层次设计和研究，厘清各尺度之间对不同物理性能指标的耦合效应，揭示不同物理性能以及力学性能指标协同提高的关键控制因素，建立跨尺度的结构和功能一体化材料系统理论也是材料科学急需解决的关键问题之一。

多尺度微观结构的调控与构筑已成为发展新一代高性能结构材料和功能材料的新策略。其中梯度纳米结构材料已彰显出诸多优异于传统均匀结构或复合结构材料的力学、物理、化学等综合性能，展示出巨大的应用潜力。在“十四五”期间，继续巩固我国在国际纳米金属研究领域的优势地位，并在以上涉及纳米结构材料关键科学问题和前沿研究上及时做好战略部署齐头并进，对于推动高性能纳米金属材料在我国社会经济和工业建设中的应用具有重要意义。