《金屬量子材料制備方法、原理與術(shù)語(yǔ)》 編制說明書

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

《金屬量子材料制備方法、原理與術(shù)語(yǔ)》

編制說明書

2023年9月

《金屬量子材料制備方法、原理與術(shù)語(yǔ)》編制說明

一、工作簡(jiǎn)況

1、任務(wù)來源

【2022】中科促標(biāo)字第671號(hào)《關(guān)于開展<金屬量子材料制備方法、原理與術(shù)語(yǔ)>團(tuán)體

標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)通知》，項(xiàng)目計(jì)劃編號(hào)CI2022310。

2、編制背景及目的

重大裝備輕量化、先進(jìn)軌道交通裝備和未來高端裝備迫切需要強(qiáng)韌雙增的金屬材料，

然而在傳統(tǒng)的經(jīng)典力學(xué)研究領(lǐng)域，只考慮原子間相互作用，在提高金屬材料強(qiáng)度通常導(dǎo)致

其塑、韌性下降，提高其塑、韌性時(shí)將導(dǎo)致材料的強(qiáng)度下降，其強(qiáng)度-韌性存在“倒置”

關(guān)系，同時(shí)提升強(qiáng)度和韌性（簡(jiǎn)稱強(qiáng)韌雙增）是高端關(guān)鍵金屬材料開發(fā)的重大瓶頸問題。

傳統(tǒng)金屬材料生產(chǎn)過程中由于凝固過程中溫度梯度的存在，導(dǎo)致鑄錠中晶粒、第二相及夾

雜物粗大且不均勻，成分偏析以及中心縮孔疏松嚴(yán)重，從而造成材料強(qiáng)度、塑韌性不足以

及性能均勻一致性差等，嚴(yán)重制約強(qiáng)韌雙增金屬材料的開發(fā)及工程應(yīng)用，這也是材料科學(xué)

亟需解決的難題和未來發(fā)展的重要方向。金屬材料中第二相和晶粒粗大、組織和性能的不

均勻性都與其凝固過程相關(guān)，但是如何從凝固初始階段控制或抑制以上現(xiàn)象缺乏理論指導(dǎo)，

主要原因是現(xiàn)有凝固理論多基于晶體形核后生長(zhǎng)中晚期階段所形成的尺寸較大的第二相、

晶?；蛑ЫM織而所構(gòu)建的。在實(shí)際金屬凝固過程中難以制備尺寸小于5微米的晶粒微結(jié)

構(gòu)，尤其是納米級(jí)第二相（團(tuán)簇）合金材料。根據(jù)哥本哈根詮釋，以及前期的第一性原理

計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬材料中第二相粗大（微米級(jí)）時(shí)不具有量子特性，而當(dāng)所形

成的第二相（團(tuán)簇）大小是納米級(jí)（≤20nm），納米相（團(tuán)簇）相互間的間距為納米級(jí)

（≤100nm），且金屬材料中部分原子以固溶態(tài)形式存在，以及固溶原子相互間的間距亦

為納米級(jí)，從而進(jìn)入量子態(tài)，此納米結(jié)構(gòu)的金屬材料（稱為金屬量子材料）具有量子特性，

其強(qiáng)度和塑韌性可同時(shí)顯著提升。可見，從經(jīng)典力學(xué)的角度無(wú)法解決強(qiáng)韌倒置問題，將粗

大第二相納米化是同時(shí)提升金屬材料強(qiáng)度和塑韌性的有效措施，探究金屬材料中電子間相

互作用是實(shí)現(xiàn)金屬材料強(qiáng)韌雙增的最本質(zhì)所在。

近年來，隨著我國(guó)金屬材料制造水平的不斷提高，已經(jīng)成功開發(fā)出金屬量子材料，具

有強(qiáng)韌雙增的金屬量子材料，并且已經(jīng)進(jìn)行了批量應(yīng)用，這些產(chǎn)品能很好的滿足我國(guó)高端

裝備領(lǐng)域的迫切需求。但目前尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此急需制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，以進(jìn)一步推

動(dòng)金屬量子材料的質(zhì)量提升和工程應(yīng)用步伐，助推我國(guó)制造業(yè)成功轉(zhuǎn)型升級(jí)。

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3、參編單位及分工

本標(biāo)準(zhǔn)起草單位有北京科技大學(xué)、中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司軋輥復(fù)合材料國(guó)家

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西王特鋼有限公司、天津泵業(yè)機(jī)械集團(tuán)有限公司、西安建筑科技大學(xué)、廊坊

市長(zhǎng)青石油管件有限公司。

本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人有王自東、王艷林、陳曉華、張英杰、張靈通、王娟、朱諭至、

陳凱旋、梁云昊、秦軍偉、楊昱東、王占民、楊春風(fēng)、張成連、蘇軍新。

4、主要工作過程

4.1起草階段

4.1.1成立標(biāo)準(zhǔn)制定工作組；

2022年11月7日，本標(biāo)準(zhǔn)成功立項(xiàng)并在全國(guó)團(tuán)體信息平臺(tái)上進(jìn)行公示。隨后北京科技

大學(xué)牽頭成立了標(biāo)準(zhǔn)編制工作組，開始組織標(biāo)準(zhǔn)的起草工作。

4.1.2確定工作計(jì)劃

標(biāo)準(zhǔn)制定工作組成立后，制定了標(biāo)準(zhǔn)制定的工作計(jì)劃，計(jì)劃完成時(shí)間為2023年。

4.1.3查詢國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)資料

工作組對(duì)國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)韌金屬材料、強(qiáng)韌雙增金屬材料、金屬量子材料等相關(guān)產(chǎn)品和技

術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展情況進(jìn)行全面調(diào)研，同時(shí)廣泛搜集國(guó)外先進(jìn)金屬材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品規(guī)

范等相關(guān)資料，進(jìn)行了大量的研究分析、資料查證工作，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行全面總

結(jié)和歸納。

4.1.4形成標(biāo)準(zhǔn)草案與編制說明

在查詢國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上形成了標(biāo)準(zhǔn)草案，并完成編制說明的編寫。

4.2征求意見階段

2023年9月，文本經(jīng)規(guī)范后形成標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿，由中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作

委員會(huì)通過全國(guó)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)信息平臺(tái)面向全社會(huì)進(jìn)行公開征求意見。同時(shí)由標(biāo)準(zhǔn)工作組在線

下組織進(jìn)行定向征求意見。

4.3審查階段

4.4報(bào)批階段

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則、主要內(nèi)容及其確定依據(jù)，修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還包括修訂前后

技術(shù)內(nèi)容的對(duì)比

1、標(biāo)準(zhǔn)的編寫原則

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本文件在制定過程中，遵循“面向市場(chǎng)、服務(wù)產(chǎn)業(yè)、自主制定、適時(shí)推出、及時(shí)修訂、

不斷完善”的原則，注重標(biāo)準(zhǔn)制定與技術(shù)創(chuàng)新、試驗(yàn)驗(yàn)證、產(chǎn)業(yè)推進(jìn)、應(yīng)用推廣相結(jié)合，

本著先進(jìn)性、適用性、科學(xué)性、合理性和可操作性、實(shí)用性以及標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)、統(tǒng)一性、協(xié)

調(diào)性、一致性和規(guī)范性的原則來進(jìn)行本標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

在確定本文件主要技術(shù)指標(biāo)時(shí)，綜合考慮生產(chǎn)企業(yè)的能力和用戶的利益，尋求最大的

經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，充分體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)上的先進(jìn)性和合理性。

2、提出本標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)

從經(jīng)典力學(xué)的角度無(wú)法解決強(qiáng)韌倒置問題，將粗大第二相納米化是同時(shí)提升金屬材料

強(qiáng)度和塑韌性的有效措施，探究金屬材料中電子間相互作用是實(shí)現(xiàn)金屬材料強(qiáng)韌雙增的最

本質(zhì)所在。本標(biāo)準(zhǔn)從金屬量子材料的概念界定與定性描述、金屬量子材料的設(shè)計(jì)原則、金

屬量子材料的制備原理、金屬量子材料的制備方法等方面，并從量子力學(xué)出發(fā)，揭示電子

相互作用對(duì)同時(shí)提升金屬材料強(qiáng)韌性的影響規(guī)律。制定金屬量子材料制備原理與方法的標(biāo)

準(zhǔn)，將系統(tǒng)解決金屬材料不能同時(shí)增強(qiáng)增韌以及性能均勻一致性的科學(xué)難題。

3、制定本標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)

本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)隊(duì)綜合考慮熔體流場(chǎng)、濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合因素，構(gòu)建了晶體生長(zhǎng)初

期數(shù)學(xué)物理模型，利用漸進(jìn)分析法對(duì)其進(jìn)行了求解，研究發(fā)現(xiàn)晶體形核后生長(zhǎng)初期沿著特

定方向向內(nèi)回熔的重大物理現(xiàn)象，突破了傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。并基于上述理論研究，本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)

隊(duì)發(fā)明了鋼中“多點(diǎn)區(qū)域微量供給”原位納米顆粒形成技術(shù)和金屬材料超低溫度梯度細(xì)晶

凝固技術(shù)，制備出金屬量子材料，此納米結(jié)構(gòu)的金屬材料具有量子特性，其強(qiáng)度和塑韌性

將同時(shí)顯著提升，且金屬材料的性能均勻一致性好。

4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本標(biāo)準(zhǔn)制定規(guī)范金屬量子材料及其制備原理與方法，制備金屬量子材料，解決金屬材

料強(qiáng)韌雙增的科學(xué)難題。尋找金屬材料中極大（宏觀性能）和極?。ㄔ咏M態(tài)）間的關(guān)聯(lián)，

以及最基本最深刻的相互作用規(guī)律，揭秘金屬量子材料的量子特性的微觀世界。但迄今為

止，無(wú)論是國(guó)際上，還是國(guó)內(nèi)都沒有金屬量子材料制備原理與方法的規(guī)范化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制

定金屬量子材料制備原理與方法及其辨識(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有利于顯著提高我國(guó)金屬材料的國(guó)際

競(jìng)爭(zhēng)力。

5、實(shí)際應(yīng)用效果

國(guó)防重大裝備輕量化、先進(jìn)軌道交通裝備“卡脖子材料”和未來高端裝備迫切需要強(qiáng)

韌雙增的金屬材料。然而提高金屬材料強(qiáng)度通常導(dǎo)致韌性下降，同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性（簡(jiǎn)

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稱強(qiáng)韌雙增）是高端關(guān)鍵金屬材料開發(fā)的重大瓶頸問題。前期本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)隊(duì)已制備金屬

量子材料，解決金屬材料強(qiáng)韌雙增的科學(xué)難題，相應(yīng)成果已在中船重工719所、天津泵業(yè)、

西王特鋼、營(yíng)口中車、中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司、廊坊市長(zhǎng)青石油管件有限公司等

實(shí)施應(yīng)用，已有160余套強(qiáng)韌雙增銅合金件實(shí)際用于多種型號(hào)國(guó)防重大裝備。通過標(biāo)準(zhǔn)的

制定和實(shí)施，規(guī)范金屬量子材料的及其制備原理與方法，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，增強(qiáng)金屬材料的

國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，制備出金屬量子材料，使其達(dá)到強(qiáng)韌雙增的效果，并替代進(jìn)口高端金

屬材料。

三、試驗(yàn)驗(yàn)證的分析、綜述報(bào)告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效

益和生態(tài)效益

1、主要試驗(yàn)或驗(yàn)證的分析

本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)界定金屬量子材料為具有納米級(jí)第二相（團(tuán)簇）的金屬材料，而所形成的

第二相（團(tuán)簇）大小是納米級(jí)，納米相（團(tuán)簇）相互間的間距為納米級(jí)，且金屬材料中部

分原子以固溶態(tài)形式存在，以及固溶原子相互間的間距亦為納米級(jí)，從而進(jìn)入量子態(tài)，具

有此納米結(jié)構(gòu)的金屬材料稱為金屬量子材料。金屬量子材料微結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1金屬量子材料微結(jié)構(gòu)

本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)涉及的金屬量子材料的概念定性描述如下：金屬量子材料中彌散分布的第

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二相（團(tuán)簇）為納米級(jí)顆粒，納米顆粒（團(tuán)簇）相互間的間距亦為納米級(jí)，且金屬材料中

部分原子以固溶態(tài)形式存在，以及固溶原子相互間的間距亦為納米級(jí)。金屬量子材料中彌

散分布的第二相（團(tuán)簇）如圖2所示。

圖2金屬量子材料中彌散分布的第二相（團(tuán)簇）

重大裝備輕量化、先進(jìn)軌道交通裝備和未來高端裝備迫切需要強(qiáng)韌雙增的金屬材料，

然而在傳統(tǒng)的經(jīng)典力學(xué)研究領(lǐng)域，只考慮原子間相互作用，在提高金屬材料強(qiáng)度通常導(dǎo)致

其塑、韌性下降，提高其塑、韌性時(shí)將導(dǎo)致材料的強(qiáng)度下降，其強(qiáng)度-韌性存在“倒置”

關(guān)系，同時(shí)提升強(qiáng)度和韌性是高端關(guān)鍵金屬材料開發(fā)的重大瓶頸問題。通過制備出金屬量

子材料，構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高材料強(qiáng)度與塑韌性，解決強(qiáng)韌雙增、材料性能均勻一致

性等兩大科學(xué)難題，滿足國(guó)防重大裝備、先進(jìn)軌道交通裝備和海洋工程重大裝備等領(lǐng)域所

用材料的重大需求。所制備的金屬材料強(qiáng)韌雙增效果如圖3所示。

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圖3金屬材料強(qiáng)韌雙增效果

2、預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果

通過標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，規(guī)范金屬量子材料的及其制備原理與方法，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，

增強(qiáng)產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，替代進(jìn)口材料，同時(shí)為推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化升級(jí)創(chuàng)造

條件，對(duì)規(guī)范市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，引導(dǎo)市場(chǎng)良性發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)高端裝備用金屬材料的質(zhì)量

提升和工程應(yīng)用步伐，助推我國(guó)制造業(yè)成功轉(zhuǎn)型升級(jí)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

3、真實(shí)性驗(yàn)證

強(qiáng)韌雙增ZCuSn10Zn2FeCo性能檢測(cè)報(bào)告

7

8

強(qiáng)韌雙增制動(dòng)梁用鋼XWQ460EDZZ性能檢測(cè)報(bào)告

9

1

0

1

1

四、與國(guó)際、國(guó)外同類標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的對(duì)比情況，或者與測(cè)試的國(guó)外樣品、

樣機(jī)的有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比情況

目前國(guó)際上公認(rèn)的量子通信、量子計(jì)算、厘米級(jí)磁性量子材料等屬于量子功能型方面

的應(yīng)用，有關(guān)量子技術(shù)應(yīng)用于大塊金屬結(jié)構(gòu)材料，并制備出金屬量子材料，對(duì)其制備原理

與方法、識(shí)別指標(biāo)及其