材料是人类文明进步的里程碑，是人类赖以生存和发展的物质基础。材料力学性能取决于微观组织结构，其演化机制直接决定宏观材料服役的安全系和可靠性。发展能够实现材料微观结构演化规律动态研究的表征仪器，是材料科学从“经验探索”迈向“原子工程”时代不可或缺途径。

近百年来，人类对材料力学行为微观机理的研究长期局限于静态，材料力学性能与微观结构关系的认知依赖力学性能实验终止后的推断，与测试过程基本脱节，形成“知其然，不知其所以然”困局。

浙江大学材料科学与工程学院张泽院士带领团队，经过18年的科技攻关，产生了系列重大技术突破，形成了一个跨宏观-微米-纳米-原子尺度结构与性能测量的一体化实验系统，应用于国家重大战略需求，加快了我国有关高性能材料的研制步伐。

近日，由张泽院士领衔的“多场耦合高空间分辨材料力学性能实验系统”项目荣获2025年度国家技术发明奖二等奖。

游刃有余，将力学试验仪放入毫米空间

针对力学性能与显微结构研究脱钩问题，张泽院士创新性提出将电镜技术与力学性能试验技术相结合。电子显微镜是观察微观世界、解析原子结构的“眼睛”，但传统电子显微镜只能看到材料变形、失效的结果，反推其整个过程；力学试验仪是解析材料性能的“手”，却无法得知材料在使役过程中微观结构如何演化。如何才能看见材料在使役过程中，最真实的微结构演化与性能之间的关系，不仅是材料科学家的夙愿，也是高端科学仪器领域的长期追求。

然而，要把数米的材料力学试验仪放入电子显微镜毫米尺寸的样品仓空间，实现原子分辨材料显微结构演化研究，无异于在一粒花生米上雕出一辆跑车。面临三个关键的技术难题：首先是样品需要在毫米尺度空间实现正交双轴倾转，以实现原子点阵分辨。其次要解决引入高温场和温度带来的热膨胀、热漂移、热损伤、热扩散等问题。三要解决施加力学载荷所需的刚性轴与高分辨成像所需的双轴倾转相互制约的问题。

针对该问题，张泽院士团队创新性提出在透射电镜中实现纳米步长微型力学驱动与微区膜层加热的一体化集成新思路。沿着这一思路，团队发明了双轴倾转、力热耦合的一体化微型集成装置，实现了毫米空间限域条件下的正交双轴倾转；发明了适用于高温场的纳米步长微型压电陶瓷驱动装置，攻克了力热耦合加载对双轴倾转平台的刚性约束的国际性难题；发明了膜层加热的低功耗MEMS微区加热装置，解决了多层MEMS器件加工制造的系列问题。

该系统在保持原子级分辨率的前提下，施加应力达GPa量级，温度达1200℃，填补了力热耦合条件下实现原子级空间分辨实验系统的国际空白，空间分辨率较国际同类最先进技术提升1-3个数量级，首次实现了原子分辨的高温力学实验。

精益求精，实现材料性能原位定量化测量

要建立材料微观结构与性能关系，不仅要“看得见”，更要“测得准”，才能精准的指导材料微结构的设计与加工制造。因此，张泽院士团队决定更进一步，发展原子分辨下多场加载精确控制与力学性能原位定量化测量技术。

在透射式电子光学电磁极靴的狭小空间内，多物理场（力、热、电、磁）耦合作用下的微弱信号精准测量是国际瓶颈性难题。热、力、电、磁等多种极端外场集中在毫米尺寸的空间中，严重干扰力学、电学、温度场等性能指标的测量，同时多物理场也将对电子束产生影响，大幅度降低成像的空间分辨率。

团队科研人员创新的通过MEMS技术，将力-热-电多物理场耦合加载及测量装置集成至4×6×1.5mm3的器件上，解决了力电耦合场下多物理场信号串扰及电子信号干扰电子束成像难题，保障了多物理场下的原子分辨能力。发明了纳米-微牛级高精度定量化力学传感装置，解决了原子级空间分辨下力学性能原位精确测量的世界难题。研制出多物理场原位原子分辨材料力学性能实验系统，涵盖镍基单晶高温合金、高性能半导体材料、新型电极材料的极端服役环境，为模拟苛刻服役条件下材料构效关系研究提供了国际领先的装置及测量方法。

破界创新，跨尺度材料结构-性能一体化表征

透射电镜研究的材料往往是在微米尺度到原子尺度，小尺度下表界面的增加会带来不同于大尺寸样品的性能。针对真实的工程应用场景，张泽院士团队决定双线并行，同时开发扫描电子显微镜中的高温力学实验系统，实现跨宏观-微米尺度的材料结构-性能一体化表征装置。

对大尺寸的样品，需要更大的应力场和温度场，意味着对仪器成像分辨率的影响也会进一步增加。复杂力学载荷下，样品的漂移与振动、极高温度下产生大量热电子，均严重影响扫描电子显微镜的高空间分辨成像。

针对这些问题，团队发明了双向对称应力加载、无涡流磁场高温加载及耦合系统，解决了机械扰动对于扫描电镜成像的干扰问题；发明了抑制高温热电子的多电位平衡方法，实现了在5000N、1200℃极端条件下的纳米分辨成像，同时提供材料的晶体学取向、成分、应变等动态成像，成为国际领先的宏观材料力学研究解决方案。 

张泽院士团队研发的多场耦合高空间分辨材料力学性能实验系统，实现了材料力学性能与结构关系研究的“知其然，亦知其所以然”，做到了“看得见，且测得准”。被评价为“开创了原子分辨材料力学性能原位实验研究的新领域”。

依托该系统，在多种先进结构和功能材料的开发和新机制研究中取得了重大进展，推动了我国重大装备车辆关键承力构件、航空发动机叶片等战略亟需材料的研发。原创仪器设备装备了国内外150余个国家/省部级实验室和龙头企业，并出口至全球最大科学仪器公司赛默飞世尔科技公司、球差电镜发明地-德国Rrnst-Ruska电镜中心等单位，提升了中国原创科学仪器在世界的影响力。