项目名称： 先进材料性能与结构演化间关系的现代
起止年限：依托部门：表征方法及科学问题的研究
张泽 北京工业大学 2009.1至2013.8 北京市科委
首席科学家：
一、研究内容
主要研究内容 ? 探索现代电子显微学新方法和理论基础的研究：重点研究材料中亚埃尺度原子成像的条件和方法，包括：球差校正成像、变焦出射波重构成像、Z衬度像等综合技术应用于现代先进材料研究的新方法；轻、重原子，正、负离子，合金化元素等原子尺度选择成像的方法，精确地确定材料中对性能敏感的关键结构元素间的关联和耦合作用。 ? 结合现有透射、扫描电子显微技术和扫描探针技术（原子力显微镜），自主发展针对低维单体（如单根准一维线等）的力学、电学、光学等物理性能与显微结构一体化测试、表征技术平台。为低维材料的基本物理性能、显微结构与材料尺度之间关系研究提供新的表征手段和测量技术。通过外场作用下对低维单体材料物理性能和显微结构原位/实时的研究，揭示与之相关的新现象，发展新材料和新应用。 ? 利用和发展超高分辨电子显微分析方法，对国家重点发展的高性能轻质（铝、镁、钛）合金以及重要高温合金的强化析出相（包括弥散强化相和长周期结构强化相）的相结构和成分、形貌、取向、分布等开展系统和深入的定量研究，特别着重在一定理化条件（如温度、应力、合金成分）下早中期析出相（或长周期结构）的结构表征，以及稀土元素的存在和分布状态、并探索各种析出相的形成、演化机制。通过上述基础问题的研究，促进国家材料发展中重大关键科学问题的解决。 拟解决的关键科学问题 ? 元素选择的原子成像机理与方法。通过理论分析、数值模拟计算和图像处理，建立电子与固体中各种轻重原子相互作用、以及电子波在电镜关键光学系统中传播过程的准确清晰的物理模型和图像，以获得固体材料中元素选择的原子成像新技术、新方法，包括：球差校正电镜中非线性信息对原子成像和分辨率的影响，固体中轻、重原子成像方法，部分相干STEM中原子序数（Z）衬度成像的影响，固体中特定元素原子成像不同方法的选择等基本问题。 ? 精确实施对准一维单体材料原位操控和多场耦合作用，在原子尺度研究材料物理性能与显微结构演变间关系的动态过程。包括：材料在力场、电场、磁场、光等作用下能带结构、电导、发光性质的变化规律；在尺寸/表面作 1
用下，准一维单体在外应力场作用下的脆-韧转变行为；低维固体非晶态结构的断裂机理与弹塑性转变；等等。这些在低维尺度尚未深入了解的材料科学问题，将直接影响微电子材料和器件的设计、制备、稳定性等。研究的难度还包括晶体结构、晶体学取向完全相同、仅在某一维尺度上不同的低维材料的制备。 ? 增强析出相的结构（特别是其早中期结构）及其演变规律一直是发展现代高性能轻质合金未解决或尚未完全解决的基础科学问题。传统观测手段的限制曾经是问题未能解决的一个重要原因。现代电子显微技术的发展为较彻底地解决此类科学问题提供了可能。本项目应用并发展现代电子显微技术，开展关于介观尺度上强化相沉淀初期的相结构、成分、形貌、晶体学取向、分布、及其在不同成分及工艺处理条件下演化过程的定量研究和理论分析，有可能带来析出相演化理论的突破性进展。 以上三个科学问题之间关系： 本项目第一个科学问题为当今世界上电子显微学用于现代物质结构研究的前沿领域，属先进实验方法和技术基础。实现亚埃尺度的原子成像，对研究解决结构演变敏感的现代功能材料、高性能合金材料的关键性科学技术难题，具有重要作用。 本项目关注的第三个科学问题，实际上就是第一个科学问题在当今国家重大需求的材料问题上的直接应用。如上所述，高性能轻质合金的关键技术难题，主要涉及强化相和微结构的调控，而相应的结构研究，期待着亚埃尺度的原子分辨成像。所以，本项目的一、四课题分别从发展新方法及其在材料研究重大需求应用两方面相得益彰。 第二个科学问题，是当今纳米科技发展研究中分析测试技术的瓶颈性难题，其研究发展对提升我国纳米科技发展水平，促进新技术生长点发展，具有重要基础作用。由此发展出具有自主知识产权的新技术、新装置，完全可引用到第一个科学问题研究中来，使原位外场作用下的结构研究，提升到亚埃尺度。此外，还可以将研究此科学问题的成果，引伸到第三个科学问题中去，研究高性能轻质合金中强化相在应力等外场作用下的结构稳定性等问题。因此，第二科学问题的关于发展独特的外场作用下的原位观察，可将第一和第三个科学问题，有机联系起来。
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二、预期目标
总体目标： 1. 利用亚埃尺度原位（包括服役状态）综合测量技术，发展元素选择成像技术的实验和计算方法，研究建立低维材料的力学、电学和磁学等性能与微结构间的联系；实现在几个我国有重大展略需求的材料方面的应用，建立能在亚埃分辨水平进行材料性能与结构间关系研究的综合平台。 2. 结合、改进和提高现有透射电子显微学技术、扫描电子显微技术和扫描探针显微技术（原子力显微镜），研究建立针对低维单体（如单根准一维材料等）的力学、电学、光学等物理性能与显微结构一体化测试、表征技术平台。为低维材料的基本物理性能与显微结构关系研究提供新的表征手段和测量技术。通过外场作用下对低维单体材料物理性能和显微结构原位/实时的研究，发现与之相关的新现象，新规律，发展新材料和新应用。在此基础上设计和研制具有我国自主知识产权的新型材料和介观尺度器件基本组元，使我国在相关领域的研究水平和技术开发能力处于国际最好水平之列。 3. 利用和发展现代显微分析测试方法，研究现代高性能轻质合金中介观尺度析出相，特别是早中期析出相的结构和成分以及材料组织结构（析出相尺寸、位向关系、形貌、取向、分布等）的表征（测量）及其在一定理化条件（如温度、应力、合金成分）下的演变及机理。根据上述基础问题研究的需要，发展实现材料介观尺度区域结构和成分表征（测量）的新方法。寻求从微观机理上揭示材料力学性能变化的规律，获得科学指导发展高性能材料的成分和工艺设计的新路径，增强我国材料工业和制造业的国际竞争力和创新能力。为满足“大飞机”和国防航空材料这类国民经济发展的重大技术需求服务。 五年目标： 1. 发展电子显微镜中亚埃尺度元素选择等成像技术和谱学等技术的综合研究方法。实现一些重要材料中轻、重原子，正、负离子，合金化元素等选择成像。提供原子尺度的材料的组成、各元素作用和元素间的关联和耦合作用、工作机理等信息。解决有关材料中缺陷组态、界面精细结构等重要基本科学问题。实现在几个我国重大战略需求材料方面的应用，建立能在亚埃分辨水平进行材料性能与结构间关系研究的综合平台。 3
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