《金属量子材料制备方法、原理与术语》

ICS77.020

CCSH04

团体标准

T/CIXXXX—XXXX

金属量子材料制备方法、原理与术语

Preparationprincipleandmethodofmetalquantummaterials

（征求意见稿）

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XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

中国国际科技促进会发布

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金属量子材料制备方法、原理与术语

1范围

本文件界定了金属量子材料的概念与定性描述，给出了金属量子材料的设计原则、制备新技术与应

用、分析与表征、性能检测、识别指标及其精准辨识技术、电子结构-原子组态-抢人双增间的关联性等

内容。

本文件适用于将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。

2规范性引用文件

本文件没有规范性引用文件。

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

金属量子材料metalquantummaterials

根据哥本哈根诠释以及第一性原理计算和实验研究，当金属材料中第二相粗大（微米级）时不具有

量子特性，而具有纳米级第二相（团簇）的金属材料，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具有量子特性，其强度和

塑韧性可同时显著提升。

3.2

强韧双增concurrentlystrengthening-toughening

金属材料的强度和塑韧性同时显著提升。

3.3

多点微量区域供给技术multipointmicroareasupplytechnology

通过在金属溶液中喂入金属细丝（如钛丝、铝丝、稀土丝等）或绞丝（如钛丝、铝丝、稀土丝等复

合丝），并分散成多点区域，同时吹氩加大钢液对流来调控熔体中所形成氧化物的界面前沿浓度，从而

控制熔体中氧化物生长速度的技术，详见附录A。

注：如将169根直径1mm钛丝绞制成φ13钛绞丝，喂入钢液时，分散成多点区域，同时吹氩加大钢液对流，即可在金

属细丝喂入钢熔体时形成纳米氧化物，形成“多点区域微量供给”技术。

3.4

超低温度梯度细晶凝固技术ultralowtemperaturegradientfinegrainsolidification

technology

通过施加复合剪切力，从而产生耦合流场使金属熔体能够充分流动实现铸型内部熔体发生冷热交换，

消除金属熔体、凝固过程中的温度梯度，从而遏制柱状晶的生长，进而消除宏观偏析，同时由于金属熔

体充分流动，消除铸造缺陷。详见附录B。

注：传统凝固过程中由于金属熔体边缘温度低，中心温度高，存在温度差导致温度梯度，晶粒沿温度梯度方向生长

成粗大柱状晶，且温度梯度越大柱状晶越粗大，同时在金属熔体凝固过程中液-固界面前沿溶质再分配导致铸

锭的宏观偏析，在最后凝固阶段由于没有外部熔体补充导致铸锭中心缩孔缩松等缺陷。

3.5

微纳结构构筑constructionofmicro/nanostructures

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采用多点微量区域供给技术、超低温度梯度细晶凝固技术等消除金属材料凝固过程中的温度梯度，

在熔体中形成原位纳米颗粒并在凝固过程中形成微纳结构晶粒，抑制柱状晶的生成，降低脆性相的形成

和尺寸，形成细小等轴晶、第二相以及夹杂物，改善宏观偏析，构筑微纳结构。

3.6

材料分析materialanalysis

对材料内在的结构和特性进行揭示的过程，分析基于试验或检测得出材料结构信息和特性数据。

3.7

材料表征materialcharacterization

通过对材料结构信息和特性数据的加工得出的一种描述或解释，在材料分析的基础上进行的一种主

观抽象思维，用文字、图示、模型等解释和说明金属量子材料中隐含的内在的结构和特性。

3.8

材料性能检测materialperformancetesting

通过自动化的测试工具模拟多种正常、峰值以及异常负载条件来对材料的各项性能指标进行测试。

4金属量子材料的概念界定与定性描述

4.1金属量子材料的概念界定

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见附录C。

4.2金属量子材料的概念定性描述

金属量子材料中弥散分布的第二相（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）见附录D。

5金属量子材料的设计原则

5.1设计基础

金属量子材料微纳结构设计的基础主要涉及金属凝固过程中流场、温度场、浓度场以及相变之间的

相互作用，获得微纳结构形态演化分析解，从而精确控制在纳米-微米-宏观等不同尺度上多级结构特征。

利用数学物理方法获得流动、温度和浓度分布以及微纳结构形态与内部物理参数和外部控制参数之间的

影响规律，为精确设计金属量子材料微纳结构提供奠定基础。

5.2微结构控制理论

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。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。并基于上述理论研究，对系列原子级、纳米团簇进行研究，

获得具有新结构纳米团簇及纳米团簇镶嵌在纳米级晶体新型微纳结构，为控制金属量子材料微纳组织结

构提供理论依据。

6金属量子材料的制备新技术与应用

6.1制备新技术

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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。采用多点微量区域供给技术、超低温度梯度细晶凝固技

术等消除金属材料凝固过程中的温度梯度，在熔体中形成原位纳米颗粒并在凝固过程中形成微纳结构晶

粒，形成大量弥散分布的原位纳米颗粒，抑制柱状晶的生成，降低脆性相的形成和尺寸，形成细小等轴

晶、第二相以及夹杂物，改善宏观偏析，制备出金属量子材料。

6.2应用

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。

强韧双增效果见附录E。

7金属量子材料分析与表征

7.1金属量子材料分析，对金属量子材料内在的结构和特性进行揭示，分析基于试验或检测得出材料

结构信息和特性数据。

7.2金属量子材料表征，通过对金属量子材料结构信息和特性数据的加工得出的一种描述或解释，在

金属量子材料分析的基础上进行的一种主观抽象思维，用文字、图示、模型等解释和说明材料中隐含的

内在的结构和特性，主要包括金属量子材料中第二相（团簇）结构尺寸、纳米相（团簇）相互间的间距，

以及金属量子材料中部分原子以固溶态形式存在，且固溶原子相互间的间距等。

8金属量子材料的性能检测

金属量子材料的性能检测，通过自动化的测试工具模拟多种正常、峰值以及异常负载条件来对金属

量子材料的各项性能指标进行测试，主要包括力学性能、冲击韧性、疲劳寿命等性能。

9金属量子材料的识别指标及其精准辨识技术

金属量子材料的识别指标及其精准辨识技术，通过透射、高分辨、原子探针等检测分析技术，深入

分析金属量子材料中第二相（团簇）结构尺寸、纳米相（团簇）相互间的间距，以及金属量子材料中部

分原子以固溶态形式存在，且固溶原子相互间的间距等指标进行识别，对其微结构进行精准分析。

10金属量子材料的电子结构-原子组态-强韧双增间的关联性

金属量子材料的电子结构-原子组态-强韧双增间的关联性，通过分析金属量子材料的原子微结构，

并对其力学性能进行检测分析，构建金属量子材料间的电子结构-原子组态-性能间对应关系，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。

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A

A

附录A

（资料性）

多点微量区域供给技术

本文件涉及的多点微量区域供给技术，主要是通过在金属溶液中喂入金属细丝（如钛丝、铝丝、稀

土丝等）或绞丝（如钛丝、铝丝、稀土丝等复合丝），并分散成多点区域，同时吹氩加大钢液对流来调

控熔体中所形成氧化物的界面前沿浓度，从而控制熔体中氧化物生长速度的技术（如：多点微量区域供

给技术见图A.1）。

图A.1多点微量区域供给技术

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B

B

附录B

（资料性）

超低温度梯度细晶凝固技术

本文件涉及的超低温度梯度细晶凝固技术，主要通过施加复合剪切力，从而产生耦合流场使金属熔

体能够充分流动实现铸型内部熔体发生冷热交换，消除金属熔体和凝固过程中的温度梯度，从而遏制柱

状晶的生长，消除宏观偏析，同时由于金属熔体充分流动，消除铸造缺陷（如：超低温度梯度细晶凝固

技术图B.1）。

图B.1超低温度梯度细晶凝固技术

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C

C

附录C

（规范性）

金属量子材料微结构

本文件涉及的金属量子材料微结构，主要指具有纳米级第二相（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为金

属量子材料（如：金属量子材料微结构见图C.1）。

图C.1金属量子材料微结构

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D

D

附录D

（规范性）

金属量子材料中弥散分布的第二相（团簇）

本文件涉及的金属量子材料中弥散分布的第二相（团簇），主要指金属材料中弥散分布纳米级第二

相（团簇），且纳米颗粒（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（如：金属量子材料中弥散分布的第二相（团簇）见图D.1）。