北京科技大学:

探索块体非晶合金的研究新坐标

2019年04月22日15:04  来源:中国教育报
 

吕昭平教授团队是北京科技大学新金属材料国家重点实验室的一支优秀科研队伍。近年来,在吕昭平教授的引领和指导下,团队在高性能钢铁材料、高熵合金、非晶合金、多孔材料、材料计算模拟等众多领域均取得丰硕研究成果。

吕昭平主持完成的“块体非晶合金的结构与强韧化研究”获国家自然科学二等奖。项目围绕新一代结构材料——块体非晶合金研究的关键科学问题开展研究,揭示了非晶合金原子结构特征及原子堆垛的普适规律,提出了非晶合金强韧化的新思路和组织调控机制,建立了在无序固体中通过有序结构强韧化的新理论,为发展高性能非晶合金材料提供了理论依据。

非晶态合金作为一种高强度、高弹性、抗腐蚀和具有优异软磁性能的新型金属材料已经广泛应用于电力中继和电子信息工业,并在航空航天、能源和机械领域显示出诱人应用前景。早在上世纪90年代,非晶态结构的长程无序就引起了众多科研团队的极大兴趣,也带来了无限烦恼和极大挑战,因为过去所有用来描述晶体材料的公式和方法都无能为力,所以在非晶态合金的原子排列结构的研究中常有“盲人摸象”之说。

针对这个国际性难题,从上个世纪90年代开始,团队就在陈国良院士带领下开展非晶合金原子结构方面的研究工作,是国内最早从事这方面研究的团队之一,在研究过程中,陈国良曾谆谆告诫团队成员,搞自己的研究特色,走自己的路,否则,团队就会被淹没在非晶领域的汪洋大海,找不到自己的坐标。

2006年,通过实验观察结合计算机模拟,团队才对非晶原子结构有了自己的认识,提出了非晶合金原子排列缺位有序(Imperfect ordered packing: IOP)的概念,被审稿人认为对非晶领域做出了重要贡献(significantcontribution)。2007年之后,随着吕昭平从美国橡树岭国家实验室的到来,团队研究实力大增,在非晶结构方面的进展也接踵而来。2008年,团队发现了非晶合金中壳-核型中程序结构,揭示了非晶合金纳米尺度结构不均匀性本质。2010年,团队揭示了非晶合金原子排列的普遍规律,提出了描述非晶原子排列的普适模型。最近,团队又在吕昭平带领下揭示了非晶合金发生玻璃转变的结构起源和高压下非晶合金发生多形性相变的电子结构起源。

团队成员回想起团队研究经历,感慨万千。十几年前,块体非晶合金是材料研究中很热门的领域,很多团队满足于尽快发表文章,选择最容易出成果的方向来做。而吕昭平团队选择了非晶合金的原子结构和强韧化这两个最核心但也是最难做的方向来做,尤其是非晶合金的脆性问题,很多人认为无法解决而避而远之。在吕昭平的带领下,团队迎难而上,十几年瞄准这个方向,持续冲击,率先在国际上解决了这个难题,被《科学》(Science)期刊誉为开辟了一个新的科学研究方向,为此次获得国家自然科学奖打下基础。

同样,团队在高熵合金领域、高性能钢铁材料领域也是如此,瞄准一个方向,持续冲击,都是选择最核心、最关键的问题,哪怕问题很难啃,可能五年甚至十年都很难做出成果。正是由于团队的选择和坚持,才有了后来的收获。经过十余年的积累,团队在2017年和2018年各发表一篇《自然》(Nature)论文。

两篇《自然》论文和国家奖,表面上光鲜亮丽,但背后的艰辛和付出的确很多,有时一个实验重复几十遍,一篇论文修改上百遍,多少个周末的夜晚,无数次开组会到接近凌晨,经历这些,让团队师生每一个人都认识到任何成绩的取得都没有捷径可走,都需要付出加倍的汗水和努力,都需要高度的专注和漫长的淬火。

科研突破需要每一位成员的共同努力,例如针对当时国内的真空设备,大多数是扩散泵(现在都是分子泵),需要预热很长时间,真空不稳定的情况,团队成员结合钢铁的微量稀土元素合金化的概念,发现加入少量稀土元素,可以很好地解决问题,这个微量稀土提高非晶形成能力的技术,还获得了美国专利,到现在仍然是块体非晶实现工业生产必须突破的一个技术。为了研究使块体非晶强韧化的树枝晶+非晶复合材料,团队成员前往新加坡国立大学,研究共晶成分和非晶形成能力的关系,用布里奇曼法(Bridgman)技术控制树枝晶的断面分布,得到了强韧化的镧基非晶复合材料,回国后,用改进后的Bridgman设备,实现了锆基和钛基树枝晶—非晶复合材料的强韧化。

国家科学技术奖励是在某一个领域长期积累、原始创新的结果,代表学校在某一个方向上的综合实力。每一个奖的背后都经历过坐得了冷板凳、耐得住寂寞、承受住孤独的探索。(艾科)

(责编:郜林筱、陈康清)

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