新晉院士重大突出性成果盤點:國內外對這些成果的評價有多高?


11月18日,國內兩院院士增選結果出爐,其中科學院院士共65人,工程院院士84人。作為各級研究領域的“學霸”,當選院士不但意味著對其科研成果的肯定,而且對于所屬單位,也是一件無比驕傲的事情。當選院士則意味著重大突出性科研成果,或者在工程領域的巨大貢獻。筆者注意到,今年在金屬材料工程領域,西安交通大學的孫軍教授和南京理工大學的陳光教授成功當選了中國科學院院士。金屬材料作為最基礎也是最重要的材料,幾千年來一直伴隨著人類文明的進步。在可見的未來,金屬材料也一直是事關國防民生的重大基礎性材料,大到航空航天航海,小到老百姓的盆盆罐罐,金屬都有很普遍的滲透。新中國成立以來,我國在金屬材料的研發與生產方面走在了國際的前列,但是一些高端部件仍然被國外發達國家掣肘。接下來,筆者給大家要展示的是孫軍,陳光兩位新晉中科院院士在金屬材料界的重大科研成果。

1. 院士簡介

孫軍:1959年2月出生于吉林省長春市,西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室主任,金屬結構材料專家,長期從事金屬材料形變相變與強韌化的研究。曾獲國家自然科學二等獎、國家技術發明二等獎、國家級教學成果二等獎及中國高校十大科技進展等獎項。孫軍教授針對合金強韌性之間呈倒置關系這一重大難題,在合金強韌化理論與應用等方面做出了系統性創新成果。提出了異質界面強韌化的新思路,建立了合金多尺度第二相耦合強韌化模型,發現了金屬形變孿晶和納米多層膜微納柱體強度的顯著外觀與內在尺寸效應,據此發明了幾種高強韌合金與納米多層膜的制備技術,并實現了規模化應用[1]。

陳光:國防科技創新特區重點項目首席科學家,享受國務院政府特殊津貼專家,全國創新爭先獎獲得者。碩士和博士分別畢業于華中理工大學和西北工業大學。第一主研人主持完成的成果中,榮獲國家技術發明二等獎1項,教育部技術發明一等獎1項,江蘇省科技一等獎2項,省部科技進步二等獎4項、三等獎1項,江蘇省專利發明人獎1項、中國產學研合作創新成果獎1項,國家專利優秀獎2項以及IWAM-Distinguished?Award。授權國家發明專利70項,國際發明專利3項[2]。研究方向為:1.受控凝固與新材料;2.金屬材料與冶金工程;3.先進航空航天材料;4.新型金屬與先進復合材料;5.金屬間化合物與非晶合金;6.材料結構與相變。

2. 重大科研成果盤點

2.1 孫軍院士成果盤點

(1) 2010年1月21日,孫軍教授團隊發現了密排六方鈦單晶中變形孿晶的強烈晶體尺寸效應,該工作發表在英國《Nature》雜志上。國際權威學者在《Nature Materials》上為此發表專題評述,認為該結果顛覆了長期以來人們的直覺。以上述工作為代表的研究成果被評選為2010年度“中國高等學校十大科技進展”,

(2) 研究項目“高性能鉬合金材料制備關鍵技術及其應用”獲國家技術發明二等獎.該項目針對鉬合金所固有的室溫脆性,強度低以及脆性差等本證特征,導致其深加工困難,產品性能低,導致其應用受限。發明了納米摻雜鉬合金材料制備關鍵技術,突破了同步提升鉬合金強度,塑性和韌性三大瓶頸問題。大幅度提升了鉬合金的高溫再結晶溫度和使用壽命,是我國成為迄今為止唯一掌握該技術并實現產業化的國家。教育部組織的鑒定認為:該成果創新性強,在關鍵技術上取得重大突破,特別是所研制的鉬絲、鉬舟和鉬電極的力學性能和使用壽命超過了國內外同類產品,處于國際領先水平。該項目已在金堆城鉬業公司實現了規模化生產,取得了顯著的經濟與社會效益,并大幅度提高了我國鉬合金產品的技術附加值和更新換代速度,以及我國鉬合金產業的創新能力和國際競爭力。金堆城也實現了由大型鉬資源企業向世界鉬金屬深加工產品制造業三強之一的跨越。

(3)“主動適應多元需求,因材施教個性發展,培養特色鮮明的材料類高層次人才”榮獲國家級教學成果二等獎。

(4)在Nature,Science,Nature Materials, Nano Letters,等國際一流學術期刊上發表論文170余篇,以第一發明人獲得17項授權國家發明專利。

(5)?高水平論文盤點

A、密排六方鈦單晶中變形孿晶的強烈晶體尺寸效應

晶體中的變形孿晶是一個高度共格的非彈性剪切過程,它控制著許多材料的力學行為,但其起源和時空特征仍是一個謎。通過微壓縮和原位納米壓縮實驗,本文發現鈦合金單晶的變形孿晶所需要的應力隨著試樣尺寸的減小而急劇增大,直到試樣尺寸減小到1微米。在此之下,變形孿晶完全被關聯性較小的普通位錯塑性所取代。隨著變形機制的轉變,亞微米尺寸礦柱的最大流動應力達到飽和值,接近鈦的理想強度。本文還建立了一個“受激滑移”模型來解釋變形孿生的強烈尺寸依賴性。

圖1 鈦單晶掃描電鏡圖像的變形微柱和EBSD極圖[1]

B、具有連續電偶極旋轉的超彈性鐵電單晶薄膜

利用無損剝離技術和Sr3Al2O6作為基底大面積制備了BaTiO3薄膜。制備的BaTiO3薄膜在原位彎曲測試過程中能折疊約180°,表明其具有超高彈性和柔韌性。此外,通過計算發現,BaTiO3薄膜的彈性是由于納米級的鐵電疇運動所導致。在壓力較大時,BaTiO3薄膜的內部能量分布發生改變,使得電偶極子在a和c納米級的鐵電疇之間發生連續旋轉,形成了具有鐵電性質的連續區域。該變化進而解釋了晶格錯配造成的應變能,有助于增強鐵電薄膜的柔韌性。該鐵電類材料有助于用于柔性傳感器、電子皮膚等柔性器件領域。

圖2 BaTiO3鐵電薄膜的連續彎曲晶格在原子尺度上的分布[2]

2.2 陳光院士

(1)新型合金材料受控非平衡凝固技術及應用

該技術于2016年獲得獲國家技術發明獎二等獎,從凝固與結晶學的基本原理出發,提出了基于非平衡效應調控凝固過程的新思路,發明了在液固兩相區調控先析出相形貌尺度的方法和半固態快冷順序凝固新技術(SSPS),攻克了動力學快冷非平衡凝固組織性能均勻、無缺陷的材料制備難題,實現了從平衡到極端非平衡凝固組織的控制及內生復合。

(2)0°鈦鋁PST單晶制備

利用定向凝固技術成功獲得0°鈦鋁PST,將鈦鋁合金的使用溫度提高約150℃,引起國內外廣泛關注,相關論文在線發表1個月內,下載量超過5000次,居該刊之首,也是 2016年NatureMaterials作為重大成果發表的10篇封面論文中唯一一篇來自中國的論文。NatureMaterials還配發了國際權威專家的專題述評文章,指出:陳等的工作為鈦鋁合金在更高溫度的廣泛應用做出了重要貢獻。

(3)高水平論文

TiAl基合金是一種新興的金屬間化合物結構材料。具有低密度、高比強度和比彈性模量,高溫時仍可保持較高強度的同時具有良好的抗蠕變及抗氧化性能。這使其成為航天、航空、汽車發動機等耐熱結構件的理想材料。因此,世界各國研究者都在大力開發 TiA1 合金。然而 TiA1 合金的短板是其塑性非常低,室溫延伸率通常小于2%,嚴重限制了它的實際應用。針對這一國際性難題,南京理工大學材料評價與設計教育部工程研究中心陳光教授團隊經過長期的研究,制備出了0° PST TiAl 單晶,性能上實現了新的大幅度跨越。PST TiAl 單晶材料室溫拉伸塑性和屈服強度分別高達6.9%和708MPa,抗拉強度高達978MPa,實現了高強高塑的優異結合。更為重要的是,該合金在900℃時的拉伸屈服強度約為637MPa,并具優異的抗蠕變性能,相關成果《Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications》于2016年6月20日在線發表于Nature Materials(《自然材料》)。其最小蠕變速率和持久壽命均優于4822合金1~2個數量級,有望把目前 TiAl 合金的使用溫度從 650~750℃ 提高到 900℃ 以上。北京航空材料研究院曹春曉院士指出:“通常,鎳基單晶高溫合金的承溫能力每提高25~30℃,即為一代新合金。陳光教授團隊發明的 TiAl 單晶合金,一下將承溫能力提高了150~250℃以上,是重大突破,屬引領性成果。這項關鍵材料技術誕生于我國,是我們國家和民族的驕傲與自豪!

圖3 PST單晶顯微組織示意圖[3]

參考文獻:

[1]?http://mse.xjtu.edu.cn/info/1013/6415.htm.

[2]?https://smse.njust.edu.cn/b5/5b/c10228a177499/page.htm

[3] Qian Yu, Zhi-Wei Shan, Ju Li et al. Strong crystal size effect on deformation twinning. Nature, 2010.

[4] Guohua Dong, Suzhi Li, Mouteng Yao et al. Super-elastic ferroelectric single-crystal membrane with continuous electric dipole rotation. Science,2019.

[5] Guang Chen, Yingbo Peng, Gong Zheng et al. Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications. Nature Materials,2016.

本文由虛谷納物供稿。

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