5.3　我国在该领域的学术地位及发展动态

我国在纳米结构金属材料领域的基础研究长期处于国际领先地位。过去30余年中不仅有大量高水平研究工作在Nature，Science等国际顶级学术期刊上发表，还培养了一大批未来有很大发展潜力的青年学者。材料领域相继发展的多尺度纳米结构金属材料，尤其是纳米孪晶材料、梯度纳米结构金属、纳米层片结构、低错配度纳米结构和高密度位错钢铁材料等，均表现出优异的综合力学性能，这些工作奠定了中国在材料科学、物理冶金及塑性变形领域的国际领先地位。

中国科学院金属研究所卢柯院士研究团队在2011年率先提出梯度纳米结构金属的概念并利用自主研发的表面机械碾磨处理技术在纯Cu棒材表面首次制备出厚度可达数百微米的表面梯度纳米结构层[42]。这种通过梯度纳米结构构筑实现高强度和高拉伸塑性兼备的优异综合性能为发展高性能工程结构材料开辟了一条全新的道路。迄今为止，梯度纳米结构已成为了金属材料领域的研究热点和前沿方向，国内外有几十个科研机构及大学从事该方向研究。其中国内从事该方向研究机构包括中国科学院金属研究所、中国科学院力学所、清华大学、浙江大学、重庆大学、北京理工大学、南京理工大学、北京科技大学、四川大学、香港大学和香港城市大学等近二十家科研院所。一大批美国和欧洲顶尖高校和科研院所，如美国的Massachu-setts Institute of Technology、Johns Hopkins University、Georgia Institute of Technology、North Carolina State University、University of California，德国的Max-Planck-Institut für EisenforschungGmbH、University of Erlangen-Nürnberg，丹麦Technical University of Denmark等科研机构也有诸多学者相继在该领域开展研究。

经过近10年的发展，在梯度纳米结构材料领域产生了一大批重大的基础研究成果。 2014年，卢柯院士应邀为Science撰写题为“Making strong nanomaterials ductile with gradients”的PERSPECTIVE论文，全面介绍了梯度纳米结构金属的性能和变形机制特点。2020年，新加坡南洋理工大学高华健教授、清华大学李晓雁教授及中科院金属研究所卢磊研究员应邀为Nature Reviews Materials撰写综述性论文“Mechanical properties and deformation mechanisms of gradient nanostructured metals and alloys”。近期Scripta Materialia也专门策划了一期有关“非均匀梯度和层状材料（Heterogeneous gradient and laminated materials）”Viewpoint set文章，多位中国学者就其最新研究成果或理解撰文。这些综述文章系统总结了过去10年梯度纳米结构金属材料领域取得的最新进展，并对其未来的发展方向进行了展望和评述。

当前，梯度纳米结构材料涉及的纳米金属材料制备工艺与技术、微观结构表征、性能测试等均有其独特之处。优异的综合性能为梯度纳米结构材料带来巨大的应用潜力。梯度纳米结构作为替代传统合金化来发展高性能纳米金属材料的新策略，是目前全球各国先进材料的前沿研究热点，竞相逐力为本国传统产业技术升级和高端装备制造等战略性新兴产业提供材料支撑。梯度纳米结构材料研究方向呈现出以下新的发展特点：

（1）梯度纳米结构的概念不断向多层次、跨尺度的多级耦合方向发展

受梯度纳米结构概念的启发，目前已发展出（如梯度纳米层片结构、三明治结构、Harmonic 等）多种多级多尺度非均匀纳米结构，普遍具有优异的力学性能，比如高强度和塑性、额外加工硬化、耐磨性等，这些是传统均匀结构或者简单混合结构所不具有的。对于多级多尺度非均匀结构而言，其微观结构复杂多样，涉及诸多结构参数，不仅包含晶粒尺寸、形貌、晶界类型、密度、取向等微观结构参数，还包含空间分布、梯度顺序、体积分数等宏观结构参数。这种跨尺度、多层次的微观设计、调控将为优化材料的综合性能提供更多的可能性。

（2）基于结构单元构筑和跨尺度设计的梯度纳米结构

过去有关均匀结构的微观结构-性能关系研究较多，变形机制相对清晰。基于结构单元构筑及设计的跨尺度梯度纳米结构虽已展示出优异的综合性能，体现出空间结构参数（如结构梯度）对材料宏观性能优化规律，但其本征变形机制的研究有待深入。随着对梯度结构强韧化机理理解的加深，未来按需设计结构单元序构的思想将为探索具有变革性和颠覆性高性能梯度材料提供更大的空间。超级计算机的发展和计算模拟技术进步使得跨尺度结构单元的设计和模拟成为可能。如何结合实验和模拟实现从原子层次到宏观材料行为的多层次设计、表征和测试研究，揭示梯度结构单元序构的耦合和协同关联效应，建立跨尺度材料系统理论也是材料科学急需解决的问题。

（3）梯度纳米结构材料的多功能优化

近年来，跨尺度非均匀纳米结构设计理念也逐渐被用来优化功能材料的声、光、电、热、磁等物理性能，在部分功能材料中也实现了一些原本倒置性能的协同提高。随着社会的发展，对于结构材料和功能材料综合性能的要求愈加突出。通过梯度纳米结构构筑，实现材料的力学、物理、化学、生物兼容性等的协同提高，实现器件或构件多功能化是未来材料领域的发展趋势之一。