新材料智能设计与数字化制造
谢建新
北京科技大学
摘要：新材料具有显著的科技属性、军事属性、经济属性和社会属性，是新一轮科技革命和产业变革、战略新兴产业和高端制造业发展的基石和先导，是国际竞争激烈的高新技术领域。人工智能技术的快速发展和应用，推动新材料研发范式变革，推动了AI for Materials（第四范式）的形成和发展。智能设计显著加速新材料的发现、设计、研发和工程转化，以报告人课题组的几个研究工作为案例，介绍了人工智能在新材料设计中的三种典型方法：新材料逆向设计（黑箱模型）、可解释设计（白盒模型）和迭代优化设计（主动学习）。另一方面，我国拥有全球最大的材料生产规模，但生产过程（产线）的控制方法大多采用基于确定的数学、物理模型，根据控制目标的在线检测结果偏差进行反馈控制，难以解决材料制备、加工和制造过程中面临的多物理场耦合作用导致的性能综合优化困难，工艺参数和边界条件等时变扰动导致的产品质量精确控制困难等瓶颈问题。发展新材料数字化制造技术，是突破这些瓶颈的重要途径。数字建模是新材料数字化制造的关键技术，是解决制造过程材料内部行为感知、实时仿真、扰动控制、全过程优化的核心关键。智能设计与数字化制造融合，有望从根本上解决传统“试错法”导致的新材料研发效率低、周期长、成本高，以及产品性能不稳定、质量不一致等长期面临的难题，是未来新材料科技和产业发展的重要方向。
Why Environmental Cracking Is Difficult to Quantify and Resolve
Dr. Peter L. Andresen
Institute of Corrosion Science and Technology
U.S. National Academy of Engineering
Chinese Academy of Engineering
Environmentally assisted cracking (EAC) has impacted industries and societies for two centuries, and it remains challenging to quantify and resolve. Despite seven decades of study and 110 years after the first boiling and pressure vessel codes were published, major surprises still occur, as with the extensive cracking of stainless steel piping in nuclear plants in France in 2021. EAC is a fascinating interaction among ten primary and hundreds of secondary variables, and when one parameter is changed, the effect of many other parameters shifts.
EAC can occur in gaseous and liquid environments, in crystalline and amorphous materials, in metals, glasses and ceramics, and over a wide range of loading conditions that can span at least 10 orders of magnitude in growth rate. EAC is vastly more complex than if one of metallurgy-environment -mechanics elements is removed: oxidation, pitting, fatigue, creep, etc. are much simpler. While the focus is on high temperature water, strong parallels exist within the much larger world of EAC.
This lecture will address the historical mistakes and oversights; the complexity of the combined effect of metallurgy, microstructure, environment and mechanics; the flawed perception that EAC only occurs under a narrow range of conditions; the belief that most experiments are “good enough”; the assumption that if cracking hasn’t occurred yet it won’t in the future; that time dependence can be neglected; and that design codes are adequate for long life.
Predicting EAC from atomistic modeling will not be possible in the foreseeable future given the complexity of the interactions among metallurgy, mechanics and environment. Neural networks and artificial intelligence provide no great benefit because of the limited amount and quality of data. The “old scientific method” of hypothesis and critical experiments is the only effective way to identify and quantify the complex interactions that result in EAC.
When one approaches a complex issue from flawed assumptions, the bias affects both experiments and their interpretation. The modern understanding of EAC is that immunity is rare, although the concept of immunity remains embedded in the design codes. Design should be based on achieving the desired lifetime, which must account for both the initiation and growth of cracks.
Corrosion in electrochemical energy conversion and storage devices
Corrosion is a major issue for a wide range of electrochemical energy conversion and storage devices, including batteries, electrolysers, fuel cells and supercapacitors. The combination of an aggressive chemical environment and the presence of a cell voltage (either applied or galvanic in origin) can lead to severe degradation of metallic and carbon-based components if not properly mitigated. This talk highlights some of the main challenges involved in research into common degradation mechanisms and provides guidance on appropriate testing methodologies.
腐蚀领域的人工智能技术AI for Corrosion
韩恩厚
广东腐蚀科学与技术创新研究院
摘要：全球腐蚀成本达3-5%GDP，我国腐蚀成本约为所有自然灾害损失之总和的10倍。局部腐蚀往往导致灾难性事故，显著影响重大工程装备与基础设施的安全。腐蚀控制影响制造业高质量发展，并且是典型的节能降碳技术。本报告结合耐腐蚀材料的研发、工程服役安全保障等对腐蚀控制的需求，以实际工程中的关键腐蚀问题为例，介绍了耐蚀材料智能计算设计、腐蚀损伤数字仿真技术、腐蚀损伤评定数字孪生技术、材料腐蚀数据库平台和数据挖掘技术，并在核电、飞机等领域得到实际工程应用，最后提出了未来发展趋势与建议。
基于晶界重构的高抗蚀钕铁硼研究
严密，金佳莹，陈望
摘要：钕铁硼具有优异的综合磁性能，是国民经济和国防建设的关键基础材料。本工作针对长期限制钕铁硼应用的低抗蚀性问题，从晶界组织结构根源入手，提出晶界重构技术思路，设计与合成电位与主相相当的新晶界相，取代传统工艺中自然形成的晶界富钕相，抑制两相间电化学腐蚀，成功研发本征抗蚀性提高20-50倍的高抗蚀钕铁硼。针对严苛服役需求，进一步研发原位氧化防腐涂层技术，大幅提升抗蚀性的同时保持高磁性能和力学性能。
绿色长效防污材料分子设计与工程应用
王立平
中国科学院宁波材料技术与工程研究所
摘要：海洋生物污损是海洋环境中各类装备与材料表面普遍存在且难以避免的损伤难题，其导致的生物附着与界面失稳严重影响装备的运行效率与服役可靠性，已成为制约海洋工程长期安全运行的关键技术瓶颈。在环保法规持续趋严及高端防污材料自主化需求背景下，发展绿色长效的防污材料体系具有重要意义。围绕海洋生物污损过程中“界面调控复杂、长效防污难以维持及多机制协同不足”等关键难题，带领团队构建了以分子结构设计为核心的绿色长效防污材料体系。通过引入生物基功能单元，设计构筑系列环境友好型防污活性分子，实现防污性能与生态安全性的协同调控；进一步基于有机硅体系的结构可设计性，构建具有低表面能与水化屏蔽性能协同的两亲性防污材料，阐明界面润湿行为、水化结构与生物附着之间的作用机制；在此基础上，提出水化屏蔽、生物抑制、界面脱附等多机制协同的防污策略，并进一步拓展至全海深环境下的高效稳定防污，相关材料已在典型海洋场景中实现应用验证。面向深远海复杂服役条件，发展了绿色长效防污材料设计新方法，实现了界面结构与功能的长期稳定，形成了从“分子设计—界面调控—多机制协同—工程应用”的系统研究体系。未来仍需突破生物污损界面跨尺度动态演化的原位表征与寿命预测等关键问题，为高可靠海洋防污材料设计提供理论支撑。
海洋工程用钛/钢复合板异质界面控制
摘要：海洋工程装备长期服役于高盐、强腐蚀、复杂载荷环境，钛/钢复合板因兼具钛的优异耐蚀性与钢的高强度、低成本优势，在海洋工程领域展现出巨大应用潜力。然而，钛与钢的物理化学性质差异显著，其异质界面易形成脆性金属间化合物，并成为失效优先发生的薄弱区域，严重制约了复合板的服役性能与使用寿命。本报告聚焦海洋工程用钛/钢复合板的异质界面控制这一核心问题，系统阐述界面演变规律、关键影响因素及调控策略。通过优化轧制工艺、引入合金过渡层等方法实现界面微观结构调控与性能提升，为海洋工程用钛 / 钢复合板的规模化稳定化制备生产提供理论支撑与技术方案，推动海洋钛合金在海洋工程装备领域的低成本化规模化应用和保障国家海洋工程装备安全可靠运行。
极端环境耐蚀耐磨材料设计及防护技术开发
摘要：面向海洋平台、海洋风电、能源开采、疏浚船舶、国防军事及极地开发等国家战略工程领域，重大装备长期服役于风、浪、流、蚀耦合的极端海洋环境，面临复杂载荷冲击、温度剧变与腐蚀磨损的协同损伤，服役安全性与寿命保障成为制约工程应用的核心瓶颈。
铅冷快堆燃料包壳候选材料的液态铅铋腐蚀损伤
摘要：积极安全有序发展核电是保障国家能源安全与“双碳”目标实现的关键途径。我国核能实施热堆快堆聚变堆“三步走”的发展战略。铅冷快堆（LFRs）是最具应用前景的四代核反应堆之一，其关键设备材料暴露在高温液态铅铋共晶（LBE）冷却剂中的环境相容性如液态金属腐蚀（LMC）和脆化（LME）问题是限制LFRs研发与工程应用的瓶颈。燃料包壳是LFRs中服役条件最为苛刻的构件，除承受高剂量辐照损伤外，其在液态LBE环境中长期服役时的抗LMC和LME性能是决定LFRs安全运行的重要因素。为评价LFRs包壳候选材料在液态LBE中的腐蚀损伤行为与控制因素，寻找有效提高其抗LMC和LME的措施，自主研发了系列能精确控氧的液态LBE腐蚀损伤模拟实验装置与相关实验技术，研究了两类潜在的燃料包壳候选材料 — 铁素体-马氏体钢（铁马钢）与Fe-Ni-Cr-Al高熵合金在550℃控氧液态LBE中的LMC行为，表征了腐蚀产物膜的微观结构与成分，考察了溶解氧浓度、流速、晶粒尺寸、合金化元素等的影响规律，阐明了LMC机理。进一步研究了铁马钢在液态LBE中的疲劳裂纹扩展（FCG）行为，发现FCG速率在350oC、ΔK<28 MPam0.5时最大；疲劳裂纹优先沿裂尖附近变形诱导小角晶界（LAGBs）扩展，沿晶析出增强了LBE对基体的润湿，降低了原子结合力，沿LAGBs形成微裂纹而引发LME。
