北京科技大學:

探索塊體非晶合金的研究新坐標

2019年04月22日15:04  來源:中國教育報
 

呂昭平教授團隊是北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室的一支優秀科研隊伍。近年來,在呂昭平教授的引領和指導下,團隊在高性能鋼鐵材料、高熵合金、非晶合金、多孔材料、材料計算模擬等眾多領域均取得豐碩研究成果。

呂昭平主持完成的“塊體非晶合金的結構與強韌化研究”獲國家自然科學二等獎。項目圍繞新一代結構材料——塊體非晶合金研究的關鍵科學問題開展研究,揭示了非晶合金原子結構特征及原子堆垛的普適規律,提出了非晶合金強韌化的新思路和組織調控機制,建立了在無序固體中通過有序結構強韌化的新理論,為發展高性能非晶合金材料提供了理論依據。

非晶態合金作為一種高強度、高彈性、抗腐蝕和具有優異軟磁性能的新型金屬材料已經廣泛應用於電力中繼和電子信息工業,並在航空航天、能源和機械領域顯示出誘人應用前景。早在上世紀90年代,非晶態結構的長程無序就引起了眾多科研團隊的極大興趣,也帶來了無限煩惱和極大挑戰,因為過去所有用來描述晶體材料的公式和方法都無能為力,所以在非晶態合金的原子排列結構的研究中常有“盲人摸象”之說。

針對這個國際性難題,從上個世紀90年代開始,團隊就在陳國良院士帶領下開展非晶合金原子結構方面的研究工作,是國內最早從事這方面研究的團隊之一,在研究過程中,陳國良曾諄諄告誡團隊成員,搞自己的研究特色,走自己的路,否則,團隊就會被淹沒在非晶領域的汪洋大海,找不到自己的坐標。

2006年,通過實驗觀察結合計算機模擬,團隊才對非晶原子結構有了自己的認識,提出了非晶合金原子排列缺位有序(Imperfect ordered packing: IOP)的概念,被審稿人認為對非晶領域做出了重要貢獻(significantcontribution)。2007年之后,隨著呂昭平從美國橡樹嶺國家實驗室的到來,團隊研究實力大增,在非晶結構方面的進展也接踵而來。2008年,團隊發現了非晶合金中殼-核型中程序結構,揭示了非晶合金納米尺度結構不均勻性本質。2010年,團隊揭示了非晶合金原子排列的普遍規律,提出了描述非晶原子排列的普適模型。最近,團隊又在呂昭平帶領下揭示了非晶合金發生玻璃轉變的結構起源和高壓下非晶合金發生多形性相變的電子結構起源。

團隊成員回想起團隊研究經歷,感慨萬千。十幾年前,塊體非晶合金是材料研究中很熱門的領域,很多團隊滿足於盡快發表文章,選擇最容易出成果的方向來做。而呂昭平團隊選擇了非晶合金的原子結構和強韌化這兩個最核心但也是最難做的方向來做,尤其是非晶合金的脆性問題,很多人認為無法解決而避而遠之。在呂昭平的帶領下,團隊迎難而上,十幾年瞄准這個方向,持續沖擊,率先在國際上解決了這個難題,被《科學》(Science)期刊譽為開辟了一個新的科學研究方向,為此次獲得國家自然科學獎打下基礎。

同樣,團隊在高熵合金領域、高性能鋼鐵材料領域也是如此,瞄准一個方向,持續沖擊,都是選擇最核心、最關鍵的問題,哪怕問題很難啃,可能五年甚至十年都很難做出成果。正是由於團隊的選擇和堅持,才有了后來的收獲。經過十余年的積累,團隊在2017年和2018年各發表一篇《自然》(Nature)論文。

兩篇《自然》論文和國家獎,表面上光鮮亮麗,但背后的艱辛和付出的確很多,有時一個實驗重復幾十遍,一篇論文修改上百遍,多少個周末的夜晚,無數次開組會到接近凌晨,經歷這些,讓團隊師生每一個人都認識到任何成績的取得都沒有捷徑可走,都需要付出加倍的汗水和努力,都需要高度的專注和漫長的淬火。

科研突破需要每一位成員的共同努力,例如針對當時國內的真空設備,大多數是擴散泵(現在都是分子泵),需要預熱很長時間,真空不穩定的情況,團隊成員結合鋼鐵的微量稀土元素合金化的概念,發現加入少量稀土元素,可以很好地解決問題,這個微量稀土提高非晶形成能力的技術,還獲得了美國專利,到現在仍然是塊體非晶實現工業生產必須突破的一個技術。為了研究使塊體非晶強韌化的樹枝晶+非晶復合材料,團隊成員前往新加坡國立大學,研究共晶成分和非晶形成能力的關系,用布裡奇曼法(Bridgman)技術控制樹枝晶的斷面分布,得到了強韌化的鑭基非晶復合材料,回國后,用改進后的Bridgman設備,實現了鋯基和鈦基樹枝晶—非晶復合材料的強韌化。

國家科學技術獎勵是在某一個領域長期積累、原始創新的結果,代表學校在某一個方向上的綜合實力。每一個獎的背后都經歷過坐得了冷板凳、耐得住寂寞、承受住孤獨的探索。(艾科)

(責編:郜林筱、陳康清)

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