3-3、基于微观机理精确认知的高性能结构材料设计与验证
单智伟*
西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，陕西省西安市咸宁西路28号，邮编710049
摘要：人类日益增长的能源需求与清洁能源供给有限性之间矛盾的日益尖锐，使得人们迫切需要研发各种节能技术， 而基于减重节能原理的结构材料轻质化则是实现能源高效利用的重要途经之一。镁基新材料作为目前最轻的金属结构材料，被视为“21世纪绿色环保工程材料”和重要战略物资，在电子产品、汽车、通讯、航空航天，军事工业等领域有着广阔的应用前景。但其广泛应用受到以下几方面的限制：（1）室温下，镁合金塑性差、强度偏低；（2）镁的化学活性高，在空气中易被氧化，尤其是高温下的抗氧化能力较差；（3）镁合金表面原生的氧化膜疏松多孔，使得镁在潮湿环境中易发生严重腐蚀。针对上述瓶颈问题，我们采用材料基因组工程的思想，即通过合适的实验方法，精准地了解并掌握材料各项性能的基因或基本工作原理，进而使得人们能够有目的地设计和制备材料并裁剪其性能来满足人们的使用要求，我们发明了一种全新的表面处理方法，该发明使得二氧化碳在远低于预期温度（400℃）的室温下就能与镁合金表面的原生氧化层或腐蚀产物发生反应生成致密的碳酸镁薄层。这层MgCO3膜能使所研究的微纳尺度镁基材料的下述性能同时得到大幅提升：屈服强度提升了近两倍，而连续变形能力的提升高达五倍；抗氧化温度提升超过200℃；对于宏观尺寸的样品，利用该发明所生成的MgCO3表面保护层，可使其腐蚀电流降低约三个数量级，自腐蚀电位（发生腐蚀的倾向）降低一倍。上述方法简单易行、绿色环保；由于无需加热，因此不会对低熔点的基体产生不良影响。
通讯作者：单智伟 Tel: 029-82668824, E-mail: zwshan@mail.xjtu.edu.cn
DOI:10.12110/secondfmge.20181014.303
男，汉族， 1974生，先后于吉林大学，中科院金属研究所和美国匹兹堡大学获本科（1996），硕士（1999）和博士（2005）学位；博士毕业同年到美国劳伦兹伯克利国家实验室从事博士后研究工作并于2006年加入著名的纳米力学制造商Hysitron公司工作，先后任部门经理和应用研究中心主任。 是教育部“长江学者”特聘教授（2008），国家杰出青年基金获得者（2009），现任材料科学工程学院院长，陕西省镁基新材料工程研究中心主任，《中国材料进展》常务副主编。近年来的研究兴趣主要集中在通过探索微纳尺度材料的结构与性能，力求为宏观高性能结构材料，尤其是镁基新材料的设计、制备和应用提供系统的原理性知识体系支撑和方法论的指导。截至目前，在包括《自然》，《科学》，《自然—材料》等国际顶级期刊上发表论文80余篇，SCI引用超过4200余篇次，单篇SCI引用最高551篇次。曾受邀担任美国材料研究学会《材料研究快报》的期刊组织者（2016）；在19届世界电镜大会上做大会报告（2018）；做或署名学术报告200多个，其中一半以上为邀请报告。