團體標準

《金屬量子材料制備方法、原理與術語》

編制說明書

2023年9月

《金屬量子材料制備方法、原理與術語》編制說明

一、工作簡況

1、任務來源

【2022】中科促標字第671號《關于開展<金屬量子材料制備方法、原理與術語>團體

標準立項通知》，項目計劃編號CI2022310。

2、編制背景及目的

重大裝備輕量化、先進軌道交通裝備和未來高端裝備迫切需要強韌雙增的金屬材料，

然而在傳統的經典力學研究領域，只考慮原子間相互作用，在提高金屬材料強度通常導致

其塑、韌性下降，提高其塑、韌性時將導致材料的強度下降，其強度-韌性存在“倒置”

關系，同時提升強度和韌性（簡稱強韌雙增）是高端關鍵金屬材料開發的重大瓶頸問題。

傳統金屬材料生產過程中由于凝固過程中溫度梯度的存在，導致鑄錠中晶粒、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重，從而造成材料強度、塑韌性不足以

及性能均勻一致性差等，嚴重制約強韌雙增金屬材料的開發及工程應用，這也是材料科學

亟需解決的難題和未來發展的重要方向。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，但是如何從凝固初始階段控制或抑制以上現象缺乏理論指導，

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

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

構，尤其是納米級第二相（團簇）合金材料。根據哥本哈根詮釋，以及前期的第一性原理

計算和實驗研究發現，當金屬材料中第二相粗大（微米級）時不具有量子特性，而當所形

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

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

為納米級，從而進入量子態，此納米結構的金屬材料（稱為金屬量子材料）具有量子特性，

其強度和塑韌性可同時顯著提升?？梢?，從經典力學的角度無法解決強韌倒置問題，將粗

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

互作用是實現金屬材料強韌雙增的最本質所在。

近年來，隨著我國金屬材料制造水平的不斷提高，已經成功開發出金屬量子材料，具

有強韌雙增的金屬量子材料，并且已經進行了批量應用，這些產品能很好的滿足我國高端

裝備領域的迫切需求。但目前尚沒有統一的標準，因此急需制定相應的標準，以進一步推

動金屬量子材料的質量提升和工程應用步伐，助推我國制造業成功轉型升級。

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3、參編單位及分工

本標準起草單位有北京科技大學、中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司軋輥復合材料國家

重點實驗室、西王特鋼有限公司、天津泵業機械集團有限公司、西安建筑科技大學、廊坊

市長青石油管件有限公司。

本標準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、張成連、蘇軍新。

4、主要工作過程

4.1起草階段

4.1.1成立標準制定工作組；

2022年11月7日，本標準成功立項并在全國團體信息平臺上進行公示。隨后北京科技

大學牽頭成立了標準編制工作組，開始組織標準的起草工作。

4.1.2確定工作計劃

標準制定工作組成立后，制定了標準制定的工作計劃，計劃完成時間為2023年。

4.1.3查詢國內外相關標準和文獻資料

工作組對國內外高強韌金屬材料、強韌雙增金屬材料、金屬量子材料等相關產品和技

術的現狀與發展情況進行全面調研，同時廣泛搜集國外先進金屬材料的技術標準和產品規

范等相關資料，進行了大量的研究分析、資料查證工作，結合實際應用經驗，進行全面總

結和歸納。

4.1.4形成標準草案與編制說明

在查詢國內外相關標準和文獻資料的基礎上形成了標準草案，并完成編制說明的編寫。

4.2征求意見階段

2023年9月，文本經規范后形成標準征求意見稿，由中國國際科技促進會標準化工作

委員會通過全國團體標準信息平臺面向全社會進行公開征求意見。同時由標準工作組在線

下組織進行定向征求意見。

4.3審查階段

4.4報批階段

二、標準編制原則、主要內容及其確定依據，修訂標準時，還包括修訂前后

技術內容的對比

1、標準的編寫原則

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本文件在制定過程中，遵循“面向市場、服務產業、自主制定、適時推出、及時修訂、

不斷完善”的原則，注重標準制定與技術創新、試驗驗證、產業推進、應用推廣相結合，

本著先進性、適用性、科學性、合理性和可操作性、實用性以及標準的目標、統一性、協

調性、一致性和規范性的原則來進行本標準的制定工作。

在確定本文件主要技術指標時，綜合考慮生產企業的能力和用戶的利益，尋求最大的

經濟、社會效益，充分體現了標準在技術上的先進性和合理性。

2、提出本標準的依據

從經典力學的角度無法解決強韌倒置問題，將粗大第二相納米化是同時提升金屬材料

強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現金屬材料強韌雙增的最

本質所在。本標準從金屬量子材料的概念界定與定性描述、金屬量子材料的設計原則、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，并從量子力學出發，揭示電子

相互作用對同時提升金屬材料強韌性的影響規律。制定金屬量子材料制備原理與方法的標

準，將系統解決金屬材料不能同時增強增韌以及性能均勻一致性的科學難題。

3、制定本標準的基礎

本技術標準團隊綜合考慮熔體流場、濃度場和溫度場的耦合因素，構建了晶體生長初

期數學物理模型，利用漸進分析法對其進行了求解，研究發現晶體形核后生長初期沿著特

定方向向內回熔的重大物理現象，突破了傳統認識。并基于上述理論研究，本技術標準團

隊發明了鋼中“多點區域微量供給”原位納米顆粒形成技術和金屬材料超低溫度梯度細晶

凝固技術，制備出金屬量子材料，此納米結構的金屬材料具有量子特性，其強度和塑韌性

將同時顯著提升，且金屬材料的性能均勻一致性好。

4、實驗內容

本標準制定規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

料強韌雙增的科學難題。尋找金屬材料中極大（宏觀性能）和極?。ㄔ咏M態）間的關聯，

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

止，無論是國際上，還是國內都沒有金屬量子材料制備原理與方法的規范化技術標準，制

定金屬量子材料制備原理與方法及其辨識技術標準，有利于顯著提高我國金屬材料的國際

競爭力。

5、實際應用效果

國防重大裝備輕量化、先進軌道交通裝備“卡脖子材料”和未來高端裝備迫切需要強

韌雙增的金屬材料。然而提高金屬材料強度通常導致韌性下降，同時提高強度和韌性（簡

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稱強韌雙增）是高端關鍵金屬材料開發的重大瓶頸問題。前期本技術標準團隊已制備金屬

量子材料，解決金屬材料強韌雙增的科學難題，相應成果已在中船重工719所、天津泵業、

西王特鋼、營口中車、中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司、廊坊市長青石油管件有限公司等

實施應用，已有160余套強韌雙增銅合金件實際用于多種型號國防重大裝備。通過標準的

制定和實施，規范金屬量子材料的及其制備原理與方法，促進技術創新，增強金屬材料的

國內外市場競爭力，制備出金屬量子材料，使其達到強韌雙增的效果，并替代進口高端金

屬材料。

三、試驗驗證的分析、綜述報告，技術經濟論證，預期的經濟效益、社會效

益和生態效益

1、主要試驗或驗證的分析

本技術標準界定金屬量子材料為具有納米級第二相（團簇）的金屬材料，而所形成的

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

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

有此納米結構的金屬材料稱為金屬量子材料。金屬量子材料微結構如圖1所示

圖1金屬量子材料微結構

本技術標準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（團簇）為納米級顆粒，納米顆粒（團簇）相互間的間距亦為納米級，且金屬材料中

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

散分布的第二相（團簇）如圖2所示。

圖2金屬量子材料中彌散分布的第二相（團簇）

重大裝備輕量化、先進軌道交通裝備和未來高端裝備迫切需要強韌雙增的金屬材料，

然而在傳統的經典力學研究領域，只考慮原子間相互作用，在提高金屬材料強度通常導致

其塑、韌性下降，提高其塑、韌性時將導致材料的強度下降，其強度-韌性存在“倒置”

關系，同時提升強度和韌性是高端關鍵金屬材料開發的重大瓶頸問題。通過制備出金屬量

子材料，構筑微納結構，同時提高材料強度與塑韌性，解決強韌雙增、材料性能均勻一致

性等兩大科學難題，滿足國防重大裝備、先進軌道交通裝備和海洋工程重大裝備等領域所

用材料的重大需求。所制備的金屬材料強韌雙增效果如圖3所示。

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圖3金屬材料強韌雙增效果

2、預期的經濟效果

通過標準的制定和實施，規范金屬量子材料的及其制備原理與方法，促進技術創新，

增強產品的國內外市場競爭力，替代進口材料，同時為推進產業結構調整與優化升級創造

條件，對規范市場競爭，引導市場良性發展，進一步推動我國高端裝備用金屬材料的質量

提升和工程應用步伐，助推我國制造業成功轉型升級，經濟和社會效益顯著。

3、真實性驗證

強韌雙增ZCuSn10Zn2FeCo性能檢測報告

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強韌雙增制動梁用鋼XWQ460EDZZ性能檢測報告

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1

0

1

1

四、與國際、國外同類標準技術內容的對比情況，或者與測試的國外樣品、

樣機的有關數據對比情況

目前國際上公認的量子通信、量子計算、厘米級磁性量子材料等屬于量子功能型方面

的應用，有關量子技術應用于大塊金屬結構材料，并制備出金屬量子材料，對其制備原理

與方法、識別指標及其