基元序构铜箔中试技术开发现场。受访者供图

■本报记者 张楠

金属材料是现代工业的基石，从大型装备到微型芯片，它的身影无处不在。然而，一个根本性矛盾长期困扰着材料科学家：金属的强度与塑性往往“此消彼长”，难以兼得。

追求高强度，常常以牺牲塑性为代价，导致材料变脆；而高塑性材料往往强度不足。这一“鱼与熊掌”的困境，已成为制约高端装备发展和国家重大工程建设的重大共性难题。

近日，葡京网投app_澳门葡京游戏-【在线*平台】：金属研究所研究员卢磊团队，凭借在“基元序构金属的创制”方面的系列原创性突破，荣获2025年度葡京网投app_澳门葡京游戏-【在线*平台】：杰出科技成就奖基础研究奖。

团队原创性提出“基元—空间序构—变革性性能”的金属材料设计新范式，成功打破传统金属材料性能线性叠加的局限，在多种金属及合金中实现了强度、塑性、应变硬化及抗疲劳性能的协同甚至超常提升，为解决结构材料的综合性能瓶颈提供了变革性思路。

师法自然：从“求均匀”到“构序构”的范式革命

传统金属材料的研发，主要依赖合金化和均匀化两大策略。然而，历经数十年发展，这两种策略在突破强度-塑性倒置关系方面已接近极限。

“我们一直在思考：为什么自然界中很多优秀的材料，如骨骼、竹子，都是不均匀的梯度结构？”卢磊对《中国科学报》坦言，正是对自然界的观察和反思，启迪了团队全新的研究思路。人体骨骼由外到内呈现梯度致密结构，竹子通过分级的纤维束实现轻质高韧，这些历经亿万年演化优化的结构，为材料设计提供了新灵感。

团队跳出传统框架，提出了“基元序构”的设计思想。

“基元”是指金属中最基本的微观结构单元，如晶粒、位错、孪晶或其组合。“序构”则是指将这些基元在宏观材料中进行特定方式的跨尺度空间排列，如形成梯度、层状等结构。

“这就像组织一场团体赛。”卢磊解释道，“传统的均匀化思路好比让每个运动员独立比赛，总成绩是个人成绩的简单相加。而序构设计是让不同特长的运动员协同配合，目标是让团队总成绩远超个人最好成绩之和，实现‘1+1>2’的涌现性提升。”

这一思想的核心在于，通过设计跨尺度的非均匀结构，在材料内部引入强烈的约束和应变梯度，从而激发出传统均匀材料中难以出现的新型变形载体和机制，从根本上突破以位错为核心的经典强化理论极限。

颠覆认知：从概念验证到普适突破的探索历程

任何新范式的确立，都离不开坚实的实验验证。团队选择从成分最简单的纯金属——铜入手，作为验证“基元序构”概念的“试金石”。

2018年，团队在《科学》发表开创性成果。他们利用电解沉积技术，首次在纯铜中制备出梯度分布的纳米孪晶结构——一种重要的基元。

令人惊喜的是，这种梯度结构不仅强度高，塑性也好，其综合性能甚至超过梯度结构中性能最好的那个均匀基元。这一发现首次通过实验证明，“梯度序构”能带来超越混合法则的“额外”强韧化效应。

“当时如果停在这里，也已经是一个很大的突破了。”卢磊回忆说，“但我们不甘心，想知道极限在哪里。”

“最难的就是制备出能体现涌现性的样品。”为此，团队花了半年时间，不断优化制备工艺，将结构梯度参数从1.75提升至12，最终使梯度样品的强度和塑性全面超越了最强基元。

团队成员程钊等人后续在美国《国家科学院院刊》上发文，进一步揭示了其力学本质：梯度结构引入了塑性应变梯度，促使几何必需位错以特殊的“位错束”形式富集，从而产生了额外的背应力强化。这为梯度序构的强化理论奠定了基础。

纯金属的成功验证了概念，但“基元序构”是否具有普适性、能否应用于复杂的工程合金，是团队面临的下一场考验，也关乎该研究方向的生命力。

“有很多声音说，你们只会做纯金属。”团队成员潘庆松说。为了回应质疑，更是为了真正解决工程问题，团队亟须开发一种普适、高效、可应用于块体合金的序构制备技术。

于是，他们像拧麻花一样，对金属棒材进行多道次变形，发明了“循环扭转”技术。该技术可以在不改变材料化学成分和晶粒形貌的前提下，在样品内部，从表面到芯部引入梯度分布的一种新基元——位错胞结构。

2021年，团队将这项技术应用于一种单相高熵合金，材料的强度提升了约3倍，同时保持了与粗晶材料相当的高塑性，一举攻克了强度-塑性倒置的经典难题。相关成果再次登上《科学》。

更深的机理探索带来了更大的惊喜。2023年，团队在《科学》上报道，这种梯度位错胞结构合金在低温下展现出前所未有的超高应变硬化能力，其硬化率甚至超过传统认知中具有最高硬化能力的粗晶金属。

“这完全颠覆了我们的教科书认知。”潘庆松说，过去大家习惯用位错理论解释一切，而他们通过长达1年的深入研究，最终证实性能突破源于一种全新的变形机制——原子尺度的层错，这种二维平面缺陷成为塑性主导载体，其密度比位错高出两个数量级。

“位错理论曾是我们的经典，当突然发现经典不够用时，还需要一个接受的过程。”潘庆松表示，自己也曾因为该成果过于颠覆，一度以为哪里出了问题。他形容，这一认知突破如同“捅破了一层窗户纸”，为金属强韧化理论开辟了新疆域。

厚积薄发：从静态性能到动态服役的性能飞跃

在解决了强度与塑性兼得的难题后，团队将目光投向了更严峻的挑战——棘轮效应。这是金属在动态非对称循环载荷下的服役性能，即疲劳与循环蠕变。对于高强度材料，疲劳损伤往往更为致命，严重制约其安全寿命。

2025年，团队的又一力作在《科学》发表。他们在常用的304不锈钢中引入梯度位错胞结构，使其屈服强度提升2.6倍的同时，抗循环蠕变能力也惊人地提升了2～4个数量级。

“这意味着，在相同工况下，材料的服役寿命预期可能从几年延长到数百年，对保障重大工程装备的长期安全至关重要。”卢磊介绍。

其背后的机理更为深刻。研究表明，在循环载荷下，梯度结构能够激发持续的、协调的三维结构转变“反常马氏体相变”，动态地细化微观组织，从而有效抑制了应变局部化和循环软化。

这一发现将“基元序构”的设计理念从提升静态力学性能，成功拓展至提升动态服役可靠性的全新高度。基于此，卢磊受邀在《自然-材料》上发表了关于金属疲劳前沿的展望文章。

从纯金属中梯度纳米孪晶的“位错”载体，到高熵合金中梯度位错胞激发的“层错”载体，再到不锈钢中循环载荷下诱发的“反常相变”载体，团队揭示了一条变形载体随约束升级而不断演进的清晰路径，实现了材料性能的阶梯式跃升。

这些突破的背后，是团队20余年的厚积薄发。卢磊从1997年起便专注于纯铜微观结构调控。“全世界很少有团队或个人能像我们一样，专注于纯铜研究长达21年。”潘庆松认为，正是这种“把一件事做到极致”的坚持，为基元序构的突破埋下了伏笔。

初心如磐：从科学发现到国家需求的使命担当

卓越的基础研究，最终要服务于国家重大需求和产业发展。团队深谙“料要成材，材要成器，器要好用”的道理。在获得系列科学发现的同时，他们已开始布局成果的转化与应用。

团队围绕“基元序构”核心思想，申请了多项发明专利，并将技术向两个关键领域推进。

一是面向信息与能源产业的“铜箔”。高端电解铜箔是集成电路互连线和锂电池负极集流体的关键基础材料，被誉为“工业神经”和“新能源血脉”，但其高强度与高导电率、高韧性难以兼顾，已成为全球共性挑战。

团队利用序构技术，成功研制出高性能铜箔样品，相关专利已进入转化阶段，旨在解决这一行业重大难题。

二是面向重大工程装备的“关键部件”。团队与所内擅长工程应用的李殿中团队等强强联合，将基元序构思想应用于轴承钢等材料的研发。

实验室结果显示，序构化处理后，材料的疲劳寿命、耐磨性、强韧性等综合性能得到协同提升，为重要装备的升级换代提供了潜在的革命性材料解决方案。潘庆松作为负责人承担相关任务，推动成果走向工程验证。

回顾来路，卢磊团队二十年如一日，坚守在金属材料强韧化研究的第一线。从最初在纳米孪晶纯金属领域的深耕，到开创基元序构新范式，再到拓展至合金、面向工程应用，他们完成了一次次漂亮的“进阶”。

“我们好像打开了一扇门，里面是一个全新的世界，但我们看到的可能只是冰山一角。”卢磊说，面对未知，他们既有紧迫感，也充满敬畏与期待。当前，团队正致力于将基元序构的设计理念拓展至更广阔的材料体系，并加速推动已有成果的产业化，以期让更多的“中国创造”支撑起大国重器的脊梁。