《金属量子材料制备方法、原理与术语》 编制说明书

团体标准

《金属量子材料制备方法、原理与术语》

编制说明书

2023年9月

《金属量子材料制备方法、原理与术语》编制说明

一、工作简况

1、任务来源

【2022】中科促标字第671号《关于开展<金属量子材料制备方法、原理与术语>团体

标准立项通知》，项目计划编号CI2022310。

2、编制背景及目的

重大装备轻量化、先进轨道交通装备和未来高端装备迫切需要强韧双增的金属材料，

然而在传统的经典力学研究领域，只考虑原子间相互作用，在提高金属材料强度通常导致

其塑、韧性下降，提高其塑、韧性时将导致材料的强度下降，其强度-韧性存在“倒置”

关系，同时提升强度和韧性（简称强韧双增）是高端关键金属材料开发的重大瓶颈问题。

传统金属材料生产过程中由于凝固过程中温度梯度的存在，导致铸锭中晶粒、第二相及夹

杂物粗大且不均匀，成分偏析以及中心缩孔疏松严重，从而造成材料强度、塑韧性不足以

及性能均匀一致性差等，严重制约强韧双增金属材料的开发及工程应用，这也是材料科学

亟需解决的难题和未来发展的重要方向。金属材料中第二相和晶粒粗大、组织和性能的不

均匀性都与其凝固过程相关，但是如何从凝固初始阶段控制或抑制以上现象缺乏理论指导，

主要原因是现有凝固理论多基于晶体形核后生长中晚期阶段所形成的尺寸较大的第二相、

晶粒或枝晶组织而所构建的。在实际金属凝固过程中难以制备尺寸小于5微米的晶粒微结

构，尤其是纳米级第二相（团簇）合金材料。根据哥本哈根诠释，以及前期的第一性原理

计算和实验研究发现，当金属材料中第二相粗大（微米级）时不具有量子特性，而当所形

成的第二相（团簇）大小是纳米级（≤20nm），纳米相（团簇）相互间的间距为纳米级

（≤100nm），且金属材料中部分原子以固溶态形式存在，以及固溶原子相互间的间距亦

为纳米级，从而进入量子态，此纳米结构的金属材料（称为金属量子材料）具有量子特性，

其强度和塑韧性可同时显著提升。可见，从经典力学的角度无法解决强韧倒置问题，将粗

大第二相纳米化是同时提升金属材料强度和塑韧性的有效措施，探究金属材料中电子间相

互作用是实现金属材料强韧双增的最本质所在。

近年来，随着我国金属材料制造水平的不断提高，已经成功开发出金属量子材料，具

有强韧双增的金属量子材料，并且已经进行了批量应用，这些产品能很好的满足我国高端

装备领域的迫切需求。但目前尚没有统一的标准，因此急需制定相应的标准，以进一步推

动金属量子材料的质量提升和工程应用步伐，助推我国制造业成功转型升级。

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3、参编单位及分工

本标准起草单位有北京科技大学、中钢集团邢台机械轧辊有限公司轧辊复合材料国家

重点实验室、西王特钢有限公司、天津泵业机械集团有限公司、西安建筑科技大学、廊坊

市长青石油管件有限公司。

本标准主要起草人有王自东、王艳林、陈晓华、张英杰、张灵通、王娟、朱谕至、

陈凯旋、梁云昊、秦军伟、杨昱东、王占民、杨春风、张成连、苏军新。

4、主要工作过程

4.1起草阶段

4.1.1成立标准制定工作组；

2022年11月7日，本标准成功立项并在全国团体信息平台上进行公示。随后北京科技

大学牵头成立了标准编制工作组，开始组织标准的起草工作。

4.1.2确定工作计划

标准制定工作组成立后，制定了标准制定的工作计划，计划完成时间为2023年。

4.1.3查询国内外相关标准和文献资料

工作组对国内外高强韧金属材料、强韧双增金属材料、金属量子材料等相关产品和技

术的现状与发展情况进行全面调研，同时广泛搜集国外先进金属材料的技术标准和产品规

范等相关资料，进行了大量的研究分析、资料查证工作，结合实际应用经验，进行全面总

结和归纳。

4.1.4形成标准草案与编制说明

在查询国内外相关标准和文献资料的基础上形成了标准草案，并完成编制说明的编写。

4.2征求意见阶段

2023年9月，文本经规范后形成标准征求意见稿，由中国国际科技促进会标准化工作

委员会通过全国团体标准信息平台面向全社会进行公开征求意见。同时由标准工作组在线

下组织进行定向征求意见。

4.3审查阶段

4.4报批阶段

二、标准编制原则、主要内容及其确定依据，修订标准时，还包括修订前后

技术内容的对比

1、标准的编写原则

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本文件在制定过程中，遵循“面向市场、服务产业、自主制定、适时推出、及时修订、

不断完善”的原则，注重标准制定与技术创新、试验验证、产业推进、应用推广相结合，

本着先进性、适用性、科学性、合理性和可操作性、实用性以及标准的目标、统一性、协

调性、一致性和规范性的原则来进行本标准的制定工作。

在确定本文件主要技术指标时，综合考虑生产企业的能力和用户的利益，寻求最大的

经济、社会效益，充分体现了标准在技术上的先进性和合理性。

2、提出本标准的依据

从经典力学的角度无法解决强韧倒置问题，将粗大第二相纳米化是同时提升金属材料

强度和塑韧性的有效措施，探究金属材料中电子间相互作用是实现金属材料强韧双增的最

本质所在。本标准从金属量子材料的概念界定与定性描述、金属量子材料的设计原则、金

属量子材料的制备原理、金属量子材料的制备方法等方面，并从量子力学出发，揭示电子

相互作用对同时提升金属材料强韧性的影响规律。制定金属量子材料制备原理与方法的标

准，将系统解决金属材料不能同时增强增韧以及性能均匀一致性的科学难题。

3、制定本标准的基础

本技术标准团队综合考虑熔体流场、浓度场和温度场的耦合因素，构建了晶体生长初

期数学物理模型，利用渐进分析法对其进行了求解，研究发现晶体形核后生长初期沿着特

定方向向内回熔的重大物理现象，突破了传统认识。并基于上述理论研究，本技术标准团

队发明了钢中“多点区域微量供给”原位纳米颗粒形成技术和金属材料超低温度梯度细晶

凝固技术，制备出金属量子材料，此纳米结构的金属材料具有量子特性，其强度和塑韧性

将同时显著提升，且金属材料的性能均匀一致性好。

4、实验内容

本标准制定规范金属量子材料及其制备原理与方法，制备金属量子材料，解决金属材

料强韧双增的科学难题。寻找金属材料中极大（宏观性能）和极小（原子组态）间的关联，

以及最基本最深刻的相互作用规律，揭秘金属量子材料的量子特性的微观世界。但迄今为

止，无论是国际上，还是国内都没有金属量子材料制备原理与方法的规范化技术标准，制

定金属量子材料制备原理与方法及其辨识技术标准，有利于显著提高我国金属材料的国际

竞争力。

5、实际应用效果

国防重大装备轻量化、先进轨道交通装备“卡脖子材料”和未来高端装备迫切需要强

韧双增的金属材料。然而提高金属材料强度通常导致韧性下降，同时提高强度和韧性（简

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称强韧双增）是高端关键金属材料开发的重大瓶颈问题。前期本技术标准团队已制备金属

量子材料，解决金属材料强韧双增的科学难题，相应成果已在中船重工719所、天津泵业、

西王特钢、营口中车、中钢集团邢台机械轧辊有限公司、廊坊市长青石油管件有限公司等

实施应用，已有160余套强韧双增铜合金件实际用于多种型号国防重大装备。通过标准的

制定和实施，规范金属量子材料的及其制备原理与方法，促进技术创新，增强金属材料的

国内外市场竞争力，制备出金属量子材料，使其达到强韧双增的效果，并替代进口高端金

属材料。

三、试验验证的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效益、社会效

益和生态效益

1、主要试验或验证的分析

本技术标准界定金属量子材料为具有纳米级第二相（团簇）的金属材料，而所形成的

第二相（团簇）大小是纳米级，纳米相（团簇）相互间的间距为纳米级，且金属材料中部

分原子以固溶态形式存在，以及固溶原子相互间的间距亦为纳米级，从而进入量子态，具

有此纳米结构的金属材料称为金属量子材料。金属量子材料微结构如图1所示

图1金属量子材料微结构

本技术标准涉及的金属量子材料的概念定性描述如下：金属量子材料中弥散分布的第

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二相（团簇）为纳米级颗粒，纳米颗粒（团簇）相互间的间距亦为纳米级，且金属材料中

部分原子以固溶态形式存在，以及固溶原子相互间的间距亦为纳米级。金属量子材料中弥

散分布的第二相（团簇）如图2所示。

图2金属量子材料中弥散分布的第二相（团簇）

重大装备轻量化、先进轨道交通装备和未来高端装备迫切需要强韧双增的金属材料，

然而在传统的经典力学研究领域，只考虑原子间相互作用，在提高金属材料强度通常导致

其塑、韧性下降，提高其塑、韧性时将导致材料的强度下降，其强度-韧性存在“倒置”

关系，同时提升强度和韧性是高端关键金属材料开发的重大瓶颈问题。通过制备出金属量

子材料，构筑微纳结构，同时提高材料强度与塑韧性，解决强韧双增、材料性能均匀一致

性等两大科学难题，满足国防重大装备、先进轨道交通装备和海洋工程重大装备等领域所

用材料的重大需求。所制备的金属材料强韧双增效果如图3所示。

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图3金属材料强韧双增效果

2、预期的经济效果

通过标准的制定和实施，规范金属量子材料的及其制备原理与方法，促进技术创新，

增强产品的国内外市场竞争力，替代进口材料，同时为推进产业结构调整与优化升级创造

条件，对规范市场竞争，引导市场良性发展，进一步推动我国高端装备用金属材料的质量

提升和工程应用步伐，助推我国制造业成功转型升级，经济和社会效益显著。

3、真实性验证

强韧双增ZCuSn10Zn2FeCo性能检测报告

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强韧双增制动梁用钢XWQ460EDZZ性能检测报告

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四、与国际、国外同类标准技术内容的对比情况，或者与测试的国外样品、

样机的有关数据对比情况

目前国际上公认的量子通信、量子计算、厘米级磁性量子材料等属于量子功能型方面

的应用，有关量子技术应用于大块金属结构材料，并制备出金属量子材料，对其制备原理

与方法、识别指标及其