亞穩材料製備技術與科學國家重點實驗室（燕山大學）

實驗室以亞穩材料製備技術與科學為主題，立足於基礎和應用基礎研究，同時注重嚮應用開發延伸。在基礎研究方面注重亞穩材料成分設計、形成理論、微觀結構、物理性能和力學性能的研究；在應用基礎研究方面注重亞穩材料製備技術及其裝備、加工工藝和工業性開發。主要採用高壓、微重力、急冷、深過冷、強電磁場、大變形等超常手段，主要開展以下五個方面的研究。

(1)亞穩材料理論設計與性能預測；

(2)亞穩結構材料；

(3)亞穩功能材料；

(4)亞穩材料特種製備技術；

(5)材料超常規服役特性 ^[1] 

建立亞穩材料設計的系統理論方法；預測系列自然界中並不存在的新物質並探明其形成條件，力爭發現新現象和新效應。

( 1 ) 主要研究內容 　① 新型亞穩材料的第一性原理設計；

② 材料的宏觀物理性質與微觀電子結構的關係；

③ 新型亞穩材料形成的熱力學與動力學；

④ 新型亞穩材料的新功能與新現象的探索。

( 2 )研究重點

① 針對輕元素多元系統、含有d電子的過渡族金屬-輕元素系統和含有f電子的稀土金屬-輕元素系統進行第一性原理研究，設計出新型超硬材料。研究這些亞穩材料的力學性能與電子結構、軌道類型和化學鍵特徵的關係，預測可能存在的其它物理性質，探討實驗合成的可能途徑和方法。揭示過渡族碳化物 ( 氮化物 ) 多層膜和納米晶複合材料硬度反常增強效應的物理起源，建立定量描述的理論模型。

② 針對新型鹼土金屬二硼化物、四硼化物和六硼化物開展第一性原理研究，探討新型亞穩相的形成條件，建立其電學和磁學性質與晶體結構、能帶結構和摻雜類型的關係，揭示產生異常物理性質的根源，闡明其物理本質。探討這類材料的維度與物理性質的關係，發現表面、界面狀態對物理性質的影響規律。

通過對材料微觀結構、穩定性等的研究，發展新型亞穩結構材料，解決成份與工藝設計以及性能控制等的相關基本問題，提高或改善亞穩結構材料的使用與服役性能，為國民經濟發展解決關鍵技術問題。

( 1 ) 主要研究內容

① 新型亞穩 結構 材料的 設計；

② 亞穩狀態與力學性能之間的關係 ；

③ 服役過程亞穩結構材料組織 、 性能 演化及其穩定性；

④ 新型亞穩結構材料製備及 應用研究。

( 2 )研究重點

① 針對高速重載鐵路運輸的需要，圍繞着準貝氏體鍛鋼和爆炸成形高錳奧氏體鋼轍叉的製造與應用，開展亞穩結構的形成、特徵與性能的研究，特別是接觸疲勞行為與機理的研究；

② 重度冷變形鐵素體與馬氏體雙相組織鋼的回覆與再結晶，晶粒尺寸雙峯分佈大塊超細晶粒鋼的結構與高延伸率的機理；

③ 表層具有硬貝氏體結構的齒輪與軸承應用基礎研究；

④ 亞穩結構材料在接觸壓力 作用下納米晶層 的形成、本質及作用。

建立超常規服役過程的材料 瞬時亞穩態形成與演化的 科學基礎， 為 滿足極端條件下使用的特種材料的重大需求 提供知識與技術積累。

( 1 ) 主要研究內容

① 超常規服役條件下材料的結構演化與非平衡相變過程；

② 超常規服役條件下材料的力學性能及其它物理性能的變化規律；

③ 多種超常規服役條件對材料作用的耦合效應；

④ 超常規服役條件下材料性能評價手段。

( 2 ) 研究重點

① 針對航天工程、空間探索等所使用的典型材料，開展材料性能與極端温度變化的依賴關係、低温與輻照耦合下材料性能與原子和電子結構的關聯等研究，探索這類環境下材料設計與壽命評估的物理原理與方法。

② 針對超高速動能武器、高速列車等領域服役的關鍵材料，開展超高速撞擊、高速沖刷等條件下材料的結構演化與穩定性等研究，探索材料性能與瞬態強作用載荷的依賴關係。

通過超常條件下亞穩材料的結構相變和穩定性的系統研究，在結構和性能調控方面產生新思想並建立相應的技術，力爭發現一些新規律、新現象和新效應，為高性能 磁性、發光、熱電、信息傳輸等 新型亞穩功能材料的發展提供知識和技術支持。

( 1 ) 主要研究內容

① 新型亞穩功能材料的 設計；

② 亞穩狀態與光、電、磁、聲、熱等性能之間的關係 ；

③ 服役過程中亞穩功能材料組織 、 性能 演化及其穩定性；

④ 新型亞穩功能材料的 製備及 應用研究。

( 2 ) 研究重點

① 針對非晶合金開展高壓和強變形下納米晶結構的轉變研究。研究在這些超常規條件下固態相變所表現出來的新規律和新現象，探索新型亞穩功能材料的製備和結構調控新技術，製備高性能納米晶磁性材料。針對納米材料開展結構穩定性研究，特別是在外場 ( 如壓力等 ) 和納米尺度空間束縛作用下的結構相變、熱力學和動力學、晶粒生長過程表現出來的新規律和新現象。

② 針對磁性單層和多層納米薄膜開展結構和性能調控研究，研究納米薄膜的有序化動力學、層間交換耦合和鐵磁-反鐵磁界面自旋結構及自旋交換相互作用對鐵磁層磁翻轉行為的調控。揭示FePt薄膜L10有序化温度高的根源，探索低温調控新技術；闡明[Pt/Co]n/NiO多層膜中Co-NiO界面自旋結構、自旋交換相互作用、磁疇或磁疇壁發散場對Co層間耦合性質及Co層中磁矩翻轉行為調控的物理根源。

通過超常規條件對亞穩材料形成過程影響的技術基礎研究，發展具有自主知識產權的特種材料超常規制備及其控制技術，為解決國民經濟發展中 急需的 重大 裝備及其 技術問題 做出 貢獻。

( 1 ) 主要研究內容

① 不同場作用下材料的形成、組織、結構演化規律；

② 多場耦合效應在材料製備過程中的作用機制；

③ 材料加工過程中的組織性能及尺寸精度控制基礎；

④ 特種製備技術及裝備工業化中的關鍵技術。

( 2 ) 研究重點

① 針對高速飛行器用材料、裝甲用鋼、電磁軌道材料、車用型材等，開展強變形制備技術與控制技術研究，為發展具有超細組織、超高強度、超高耐磨性、超高使用壽命等特點的新型材料提供技術支撐。

② 針對空間超強、耐磨、耐低温、抗輻照、尺寸穩定、抗冷焊、低密度等要求的特徵材料，發展粉體制備與後續高壓成形新技術，尤其是可在工業上應用的製備技術。研究工藝參數對材料形成過程的影響規律及其控制技術。

實驗室發展歷程(4張)

1998年初，亞穩材料製備技術與科學國家重點實驗室開始籌建；

1999年12月，按省重點實驗室運行；

2006年7月28日，被科技部正式批准為國家重點實驗室；

2003年、2008年、2013年參加了科技部組織的國家重點實驗室評估，取得良好成績。 ^[6] 

經過多年持續的投入，實驗室已建成一個分析檢測設備齊全，製備設備特色鮮明的科研平台。實驗基地主要包括材料館A、B、C樓，使用面積為1.4萬平方米，以及亞穩材料製備中心，建築面積3300平米，清潔納米能源中心2000平米，高壓科學研究中心8000平米。資產總值已達3億元。實驗室的科研平台可分為分析檢測、特色製備、模擬計算三大類，根據功能和特色，可分為七個大平台：(1). 分析檢測平台；(2). 高壓實驗平台；(3). 強變形實驗平台；(4). 亞穩材料服役性能測試平台；(5). 特種製備與成型平台；(6). 機加工及常規處理平台；(7). 計算平台。 ^[6] 

實驗室擁有國家自然科學基金委優秀創新羣體、教育部創新團隊和國防科技創新團隊。經過多年持續的投入，實驗室已建成一個分析檢測設備齊全，製備設備特色鮮明的科研平台，實驗室的使用面積為1.4萬平方米，資產總值已達1億元。實驗室的科研平台可分為分析檢測、特色製備、模擬計算三大類，根據功能和特色，可分為七個大平台：

(1). 分析檢測平台；

(2). 高壓實驗平台；

(3). 強變形實驗平台；

(4). 亞穩材料服役性能測試平台；

(5). 特種製備與成型平台；

(6). 機加工及常規處理平台；

(7). 計算平台。

亞穩材料製備技術與科學重點實驗室按“開放、流動、聯合、競爭”原則，注重與國內外相關科研單位開展深層次的交流與合作，歡迎國內外各位專家、同行光臨重點實驗室進行指導與交流。 ^[1] 

實驗室有專職技術人員13人，專職管理人員2人。在研究人員中，有國家傑出青年科學基金獲得者6人，新世紀百千萬人才工程國家級人選(國家千百萬人才工程一、二層次) 5人，國務院特殊津貼獲得者13人，全國模範教師1人，教育部新世紀優秀人才支持計劃5人。從哈佛大學、牛津大學、東京大學、京都大學、德國馬普所、德國宇航院等留學(一年以上)歸國人員40人，其中4人獲洪堡基金資助 ^[2]  。

非晶體材料

極端條件下材料製備及模擬

鎂稀土基結構/功能材料研究組

新型能源材料

功能電極材料的研究與製備課題組

先進焊接技術

低維亞穩材料與器件

多極材料設計、製備與表徵

準晶材料結構與性能課題組

電化學儲能材料與器件

先進電子材料器件

功能高分子材料 ^[3] 

近五年，實驗室承擔的國家級研究任務飽滿，其中973項目8項(含子課題和預研)、863項目19項、國家傑出青年科學基金項目4項、國家自然科學基金重點項目4項、國家自然科學基金面上項目39項、國家攻關項目4項,總經費7000餘萬元，其中國家級項目經費為3823.1萬元。

近五年，實驗室發表學術論文521篇，其中包括Phys.Rev.Lett. 4篇、Adv. Mater. 1篇、Appl.Phys.Lett. 9篇、Phys.Rev. B 5篇、Acta Mater. 1篇。出版專著2部。共申請專利44項，已獲授權17項。

近五年，實驗室共獲國家級獎勵7項，其中國家科技進步一等獎1項，國家技術發明二等獎1項，國家科技進步二等獎5項，省部級獎勵14項。

實驗室現擁有1.7萬平方米的實驗大樓；經過河北省主管部門以及燕山大學的持續建設，實驗室已成為一個分析檢測設備齊全、製備設備特色鮮明的科研平台，設備固定資產原值已達1億餘萬元，全部設備狀態良好，運行高效，並全部對外開放。

實驗室與國內外學術界有着廣泛的交流和實質性的合作，與德國宇航院、英國的DeBeers公司、日本廣島大學、俄羅斯阿爾泰工業大學、俄羅斯科學院、丹麥RISφ國家實驗室、北京凝聚態物理國家實驗室、瀋陽材料科學國家(聯合)實驗室、超硬材料國家重點實驗室（吉林大學）、新金屬材料國家重點實驗室（北京科技大學）等國內外科研機構建立了良好的合作關係，並共同發起、組織國際性學術會議。

亞穩材料是指熱力學上處於亞穩狀態的一大類材料，既可以作為結構材料使用也可以作為功能材料使用，涉及金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料。亞穩材料既可以是成分、結構上的亞穩態也可以是形態上的亞穩態。一方面由於亞穩材料具有許多常規穩態材料所不具備的特殊性能，因此在國民經濟的許多領域中具有廣闊的應用前景；另一方面由於亞穩材料都是在超常條件下獲得的，所以亞穩材料領域也成為人類發現新物質和新的物理現象的重要源泉，也是國際上材料科學研究領域中的重要熱點研究領域之一。然而，我國在亞穩材料領域的研究分散在不同學科、不同的研究單位，研究方向過窄、過專，研究條件配套性差，嚴重製約着我國亞穩材料研究水平的提高，為此建立亞穩材料製備技術與科學國家重點實驗室是非常必要的。建設本實驗室的目的就是針對亞穩材料研究領域的重大基礎科學問題和關鍵技術，全面打造亞穩材料科研基地、人才培養基地和學術交流基地。實驗室以亞穩材料製備技術與科學為主題，立足於基礎和應用基礎研究，同時注重嚮應用開發延伸。為此，實驗室緊密圍繞三個學術層面——基礎理論、製備技術和應用基礎開展研究工作。在基礎理論研究方面，將圍繞亞穩材料領域共性的基礎科學問題開展深入、系統的研究工作，通過人才引進，進一步加強基礎理論方面的研究隊伍，形成特色。在製備技術和應用基礎研究方面將以承擔國家重大科研任務為目標，發展新材料和新技術，並向工程應用延伸，重點放在國防、能源、交通和汽車工業中的新材料和新技術上。