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由表面納米化研究談創新思想
2010-05-10 | 供稿: 】【打印】【關閉

  卢柯,材料科学专家,中國科學院院士。1965年出生于甘肃华池,1985年毕业于南京理工大学金属材料及热处理专业,分别于1988年和1990年在舟东彩票获工学硕士和工学博士学位。现任舟东彩票所长、沈阳材料科学国家(联合)实验室主任、研究员、博士生导师。长期从事金属纳米材料及亚稳材料等方面的研究,主要学术贡献包括:发展了一种制备无微孔隙和界面污染的金属纳米材料的新方法——非晶完全晶化法;发现了纳米金属铜在室温下具有超塑延展性;深入研究了非晶态合金的晶化微观机制和纳米晶体的熔化行为及过热机制,建立了过热晶体熔化的动力学极限理论(均匀形核灾变模型);发展了利用表面机械变形处理实现金属材料表面纳米化的新概念和新技术,并利用此技术大幅度降低了铁的表面氮化温度。这些研究成果在国内外学术界产生了重要影响,丰富并推动了纳米材料的研究。近年来在《Science》等学术刊物上发表论文240余篇,获得发明专利20余项,在国际学术会议上做特邀报告26次。先后被选聘为国际纳米材料委员会委员、国际急冷及亚稳材料委员会委员,在国际<<材料快报>>、<<纳米材料>>等4种国际学术期刊任职。曾荣获首届香港求是基金会“杰出青年学者奖”、国际亚稳及纳米材料年会ISMANAM金质奖章、中国青年科學家奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、第三世界科学院TWNSO技术奖和“桥口隆吉”奖等奖励20余项。

  納米材料具有獨特的結構和優異的功能特性,爲新一代高性能材料的研究和設計創造了條件。隨著對納米材料優異功能特性認識的不斷深入,納米材料的實際應用已逐步提到了日程。自八十年代初H.G1eiter用金屬蒸發——原位冷壓法制備出具有清潔界面的納米材料以來,人們又相繼提出多種制備技術。但是由于制備工藝複雜、生産成本高和材料外形、尺寸有限,內部存在界面汙染、孔隙類缺陷多等因素的制約,現有的制備技術尚未能在工程金屬材料上取得實際應用。

  實際上金屬材料的多數失穩始于材料的表面,因此只要在材料上制備出一定厚度的納米結構表層,即實現表面納米化,就能夠通過表面組織和性能的優化提高材料的整體力學性能和環境服役行爲。基于對科學技術水平的客觀分析,並結合工業上對納米技術的迫切需求,盧柯研究員于1998年與法國特魯瓦技術大學呂堅教授聯合提出了表面納米化思想並開展了相應的科學研究。

  表面納米化技術有幾個主要的特點,一是采用常規的表面機械變形處理方法(或對其進行改進)即可實現,在工業上應用不存在明顯的技術障礙;二是能夠大幅度地提高金屬材料表面和整體的性能,同時又不明顯地損害材料的韌性,解決了塊體超細晶(納米晶)材料強度明顯提高與韌性大幅度下降的矛盾;三是能大幅度地降低化學處理的溫度和時間,解決了材料低溫化學處理這一技術“瓶頸”,爲利用低成本的化學處理賦予常規工程金屬材料表面高性能和多功能提供一條可行的途徑。

  表面納米化的系列研究成果已發表在《Science》和《Acta Materialia》等國際一流的學術期刊上,引起了國內外同行和企業界的廣泛關注。在2003年兩院院士會議上,“我國金屬材料表面納米化技術和全同金屬納米團簇研究取得突破性進展”被評爲2003年中國十大科技進展新聞之一。下面以表面納米化研究爲例,解析創新思想從構思到成功的曆程。

  冷靜思考,不盲目跟隨——創新思想的産生

  上世紀九十年代,正當人們將關注的目光集中在快速凝固、粉末壓實和等通道轉角擠壓等幾種制備塊體超細晶材料的方法時,盧柯研究員就在思考一個問題,納米技術只有與廣泛使用的工程金屬材料結合,才能發揮出最大的效益,然而當時的制備技術與實用之間還存在著相當大的距離。在尋找納米技術與工程材料的結合點時,盧柯研究員注意到這樣的事實:既然工程材料的失穩多始于表面,那麽只要在材料的表面制備出納米結構,就能有效地抑制失穩的發生;另一方面,表面納米化采用常規的表面機械變形處理方法(或對其進行改進)就可以實現,在工業上易于應用。正是基于對實際問題和對現有技術水平的客觀分析,盧柯研究員與法國特魯瓦技術大學呂堅教授聯合提出並開展了表面納米化研究。目前,此項技術的科學性和實用性已被大量的實驗所驗證。

  不斷挖掘技術的科學內涵——創新思想的發展

  盧柯研究員注重在科研工作中挖掘技術的科學內涵,當他制備出理想樣品後,很快就發現樣品獨特結構所蘊藏的學術研究價值:一是樣品經過處理後,在材料上形成了表面爲納米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度結構,這種梯度結構實際上反映了材料在塑性變形條件下,由粗晶逐漸細化到納米晶的過程,因此通過樣品橫截面組織的觀測,可以揭示出塑性變形誘發的納米化機理;二是利用組織和性能的梯度變化,在一塊樣品上研究寬尺寸範圍內(從納米到微米量級)的組織與性能關系;三是利用納米化處理所形成的高體積分數界面來加快化學反應的動力學過程,開發出低成本的化學處理工藝。

  通過對表面納米化技術蘊藏的學術價值的不斷開發,盧柯研究員近年來在納米化機理、組織與性能關系和納米結構擴散動力學研究方面取得了一批具有較高學術水平的研究成果,不僅確立了我國在表面納米化研究方向的國際領先地位,也爲此項新技術的工業應用打下了良好的理論基礎,從而實現了基礎研究與應用開發的良性互動。

  紮紮實實工作,避免短期行爲——高水平成果的産生

  科學的發展有一個循序漸進的過程,爲避免急功近利思想而導致研究水平低下的問題,盧柯研究員要求科研人員要耐得住寂寞,踏踏實實地就選定方向進行深入細致的工作,不要急于出文章,以避免膚淺的毛病。對于獲得的實驗數據要反複推敲,並在研究組內進行討論,再根據大家的意見進行補充和完善,沈穩、堅實的工作必然帶來豐碩的成果。盧柯研究員的科研小組已先後在國際一流的學術期刊上發表了多篇高水平的論文,受到國際同行的普遍贊譽,並被大量引用。 

  倡導團隊精神,培養學術骨幹——工作延續的基礎

  科研工作的開展僅靠個人的力量是遠遠不夠的,需要多方面的參與、分工與合作,尤其是一個團隊內的精誠合作。在盧柯研究員領導的科研小組內,科研人員和研究生定期舉辦學術討論,大家暢所欲言,真誠地就科學問題坦誠地交換意見,于討論和辯論中相互促進、相互提高,充分體驗到團隊精神所帶來的愉悅和裨益,並從中産生了一些公認的、高水平的學術骨幹。這些學術骨幹來自團隊,受益于團隊,脫穎而出後又領導和服務于團隊,從而使團隊整體保持密切的配合,使科研工作協調的發展,爲後續科研工作的開展做好了一定的人才儲備。

  廣泛合作,優勢互補——提高研究水平

  表面納米化研究與開發是一項系統工程,涉及到方方面面的知識,任何個人和研究組都難以涵蓋所有的專業,只有吸納多種專業人才共同參與,才能保證系統工作快速、協調發展。繼提出表面納米化設計思想並取得此項技術的知識産權後,盧柯研究員對內仔細地分析了自身優勢,確定了本組的發展方向,對外采取了開放式的交流與合作,他一方面多次在國際學術會議特邀報告和其它公開場合中詳細介紹表面納米化的研究進展及有待解決的問題,通過交流拓展了視野,另一方面又與國內外有專業特長的科研院所和企業建立起廣泛的合作關系,實現了強強聯合、優勢互補。正是通過這種真誠的互利合作,使表面納米化研究隊伍不斷壯大,這不僅迅速將研究工作提升到了國際水准,也大大地加快了新技術從實驗室研究到探索工業應用的步伐。

  自開展表面納米化研究以來,盧柯研究員和他的科研團隊已在《Science》和《Acta Materialia》等高水平學術期刊上發表論文30余篇,參編學術專著2部,申請發明專利9項.從這個成功案例中不難發現,正是有這嚴謹的科學態度、紮紮實實的工作作風、在工作中不斷發現和創新的思想及真誠的交流與合作的精神,才使表面納米化由設想逐漸轉變成現實。目前,表面納米化技術已被國內外同行和企業界公認爲“今後幾年內納米材料研究領域最有可能取得實際應用的技術之一”。

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