“這個(gè)實(shí)驗(yàn)真的可以完成嗎？我得去現(xiàn)場(chǎng)看看！”
美國(guó)工程院和英國(guó)皇家工程院院士、英國(guó)皇家科學(xué)院院士、美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授Robert O. Ritchie為何如此激動(dòng)？
(資料圖片僅供參考)
原來是有人設(shè)計(jì)出了一項(xiàng)他們一直想做卻沒能做的實(shí)驗(yàn)——在零下253攝氏度（20開爾文）的低溫環(huán)境中，揭示CrCoNi基中熵和高熵合金具的斷裂韌性，并展示合金裂紋的擴(kuò)展和斷裂全過程。
提出實(shí)驗(yàn)方案并主導(dǎo)完成這一實(shí)驗(yàn)研究的，是英國(guó)布里斯托爾大學(xué)物理學(xué)院年輕的副教授劉棟。12月2日，完整的研究成果在Science發(fā)表，劉棟是論文的第一作者，Robert O. Ritchie是論文的通訊作者。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員張鵬和張哲峰受Science邀請(qǐng)，為這篇論文撰寫了評(píng)述文章《在嚴(yán)寒中變得堅(jiān)強(qiáng)》（Getting tougher in the ultracold）。在閱讀這篇論文前，張哲峰非常好奇：“研究人員是如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思路，特別是怎么想到這個(gè)合金成分韌性會(huì)比其他成分高呢？”
“這項(xiàng)研究十分了不起，作者應(yīng)該是一位女中豪杰！” 張哲峰在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)候透露，“自己并不認(rèn)識(shí)劉棟，她能夠完成這項(xiàng)工作很不容易，這需要有材料韌化理論和機(jī)制支撐，不然都是徒勞！”
此前沒有其他團(tuán)隊(duì)可以完成實(shí)驗(yàn)
為什么Robert O. Ritchie一定要去現(xiàn)場(chǎng)看一看實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)呢？
“因?yàn)樗c合金材料的提供者、美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)田納西大學(xué)研究員EasoP.George，曾被其他國(guó)家的一些實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)口頭承諾過很多次。如今，他們對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)完成的可能性已經(jīng)‘心灰意冷’。”劉棟笑著告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
RobertO.Ritchie和EasoP.George研究高熵合金已有多年，并且發(fā)現(xiàn)高熵合金在77開爾文低溫下相對(duì)于常溫有更好的斷裂性能，因此他們推斷在更低溫度下材料的斷裂韌性有可能會(huì)更好。
劉棟介紹：“我們開展實(shí)驗(yàn)前也有團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)嘗試過，但大多以失敗而告終，甚至有些實(shí)驗(yàn)不了了之。所謂希望越大失望越大，這也是Robert O. Ritchie一定堅(jiān)持要到現(xiàn)場(chǎng)的原因。”
“這個(gè)實(shí)驗(yàn)我們做了兩年多，也經(jīng)歷過挫折和挑戰(zhàn)，但我們沒有放棄，而是選擇堅(jiān)持到底。” 劉棟團(tuán)隊(duì)不僅最終完成了實(shí)驗(yàn)，還發(fā)現(xiàn)了精彩的斷裂過程。
這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在20開爾文下CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂紋萌生斷裂韌性分別為262和459（MPa/m2），其中，在2.25毫米的穩(wěn)定開裂后，CrCoNi顯示出超過540MPa/m2的裂紋擴(kuò)展韌性。
“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，CrCoNi合金的裂紋擴(kuò)展韌性值是有史以來最高的。”劉棟說，“這個(gè)材料將來會(huì)在極端寒冷的環(huán)境中有非常大的應(yīng)用價(jià)值。”
劉棟博士畢業(yè)照（受訪者供圖）
設(shè)備+材料+方法=成功
關(guān)于高熵合金，曾有科普文章做過解釋：當(dāng)原子處于“整齊站隊(duì)”的有序狀態(tài)時(shí)，合金體系處于“低熵”的狀態(tài)；當(dāng)合金的原子處于“自由活動(dòng)”的無序狀態(tài)時(shí)，合金體系則處于“高熵”狀態(tài)。
傳統(tǒng)合金由一種主要金屬混合少量其他金屬，而高熵合金通常由五種金屬（中熵合金通常由三種金屬）以大致相等的比例混合而成，也因此具有優(yōu)良的性能，如高強(qiáng)度、高韌性和耐腐蝕。
文獻(xiàn)資料顯示，高熵合金概念最早出現(xiàn)于2004年。來自牛津大學(xué)的材料科學(xué)家Brian Cantor團(tuán)隊(duì)和來自臺(tái)灣清華大學(xué)的材料科學(xué)家葉均蔚團(tuán)隊(duì)，分別在論文中介紹了高熵合金。隨后，高熵合金成為材料界關(guān)注的研究寵兒。
論文發(fā)表前，劉棟已經(jīng)做了6-7年的相關(guān)極端工況下材料的力學(xué)機(jī)理研究工作，比如在極端高溫1200攝氏度下，利用三維電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)，獲得一些航空和核反應(yīng)堆陶瓷和復(fù)合材料的斷裂機(jī)理。
在這項(xiàng)研究過程中，不僅需要準(zhǔn)確定位所需要使用的設(shè)備，并且需要大膽的創(chuàng)新和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，利用自己掌握的專業(yè)知識(shí)，對(duì)材料的機(jī)理做了深入透徹的研究。
談及實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，劉棟表示，最大的困難就是設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。“我們要觀察合金在20開爾文低溫下的斷裂韌性，但是極端低溫開展裂紋擴(kuò)展韌性實(shí)驗(yàn)本身就很難，我們不僅要設(shè)計(jì)出能夠符合美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的試樣尺寸和加載零部件，還需要找到合適的位置來鑲嵌熱電偶準(zhǔn)確測(cè)量試樣本身的溫度。”
為了觀察到裂紋的生長(zhǎng)過程中的相變，劉棟團(tuán)隊(duì)還利用了中子散射來同步測(cè)量。她說：“在中子散射同步測(cè)量上，英國(guó)盧瑟福•阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室（RAL）的Saurabh Kabra博士給了我們很大的幫助。我的兩個(gè)博士研究生蔣明和Paul Forna Kreutzer對(duì)于實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析也做出了貢獻(xiàn)。他們都是文章的共同作者。”
關(guān)于為什么CrCoNi合金成分韌性會(huì)比其他合金成分韌性高？劉棟解釋道，其團(tuán)隊(duì)通過研究發(fā)現(xiàn)，這些合金通過變形機(jī)制、位錯(cuò)滑移、層錯(cuò)形成、納米孿晶和相變的漸進(jìn)協(xié)同作用，發(fā)展了抗斷裂能力，這些協(xié)同作用可延長(zhǎng)應(yīng)變硬化，同時(shí)提高強(qiáng)度和延展性，從而產(chǎn)生優(yōu)異的韌性。
她還透露，如果能夠大批量生產(chǎn)，CrCoNi基合金的潛在應(yīng)用包括液態(tài)氫的長(zhǎng)距離運(yùn)輸材料、在太空的寒冷環(huán)境下開展工作材料、液化天然氣跨海運(yùn)輸材料等。另外，這是一項(xiàng)開創(chuàng)性的研究工作，未來可以指導(dǎo)研究人員設(shè)計(jì)相關(guān)耐損傷的材料。
不要被一個(gè)專業(yè)禁錮
“如果沒有相關(guān)的力學(xué)、材料和物理知識(shí)，要完成這么高難度的實(shí)驗(yàn)，并完成對(duì)材料機(jī)理的解讀，是非常困難的。”
12月1日，在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪前，劉棟剛給布里斯托爾大學(xué)物理學(xué)院大四學(xué)生上完一節(jié)應(yīng)用材料物理學(xué)課。她稱，如果學(xué)生能具備物理、材料以及力學(xué)基礎(chǔ)，他們將擁有非常強(qiáng)大的知識(shí)組合，有利于進(jìn)一步開展科研工作。
劉棟自己就是一位跨界學(xué)者。
她本科以學(xué)科第一名的成績(jī)畢業(yè)于北京科技大學(xué)土木工程專業(yè)，這給了她很扎實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)。她博士畢業(yè)于英國(guó)布里斯托爾大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，主要研究飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面的陶瓷涂層，在此期間她學(xué)習(xí)了很多材料和物理知識(shí)。
談及為什么要換專業(yè)，劉棟表示：“當(dāng)時(shí)就是想嘗試一個(gè)新的研究方向。如果導(dǎo)師覺得我能勝任，那我就會(huì)全力以赴。”
她不僅積極投入新領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和研究中，并且在36個(gè)月后順利提交了博士論文，期間發(fā)表了近10篇文章。
劉棟在讀博期間，對(duì)涂層中的殘余應(yīng)力以及裂紋的產(chǎn)生和生長(zhǎng)模式十分感興趣，希望自己可以在這個(gè)方向做更深入研究，但她又沒有急于將自己禁錮于這樣一個(gè)特定的研究領(lǐng)域。
博士畢業(yè)后，劉棟申請(qǐng)到項(xiàng)目留在布里斯托爾開展博士后研究工作，她的研究對(duì)象是核石墨材料——這種材料主要應(yīng)用于核反應(yīng)堆堆心。她在研究中意識(shí)到，盡管這一類材料在高溫下工作，但目前似乎還沒有研究能夠?qū)崟r(shí)觀察到它們?cè)谶@些溫度下是如何損壞和斷裂的。
基于這些研究理念，劉棟向英國(guó)1851皇家展覽委員會(huì)提交了項(xiàng)目資金申請(qǐng)，免試入選并成為了皇家展覽委員會(huì)布魯諾研究員，前往牛津大學(xué)開展更進(jìn)一步的研究。
2016年，她申請(qǐng)到英國(guó)工程與物理科學(xué)研究基金會(huì)研究員項(xiàng)目，成為項(xiàng)目獨(dú)立負(fù)責(zé)人。同年，她免試入選牛津大學(xué)Mansfield College Junior Research Fellow。
這些寶貴的經(jīng)歷對(duì)劉棟發(fā)展自己的創(chuàng)新研究理念，建立自己的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，并成長(zhǎng)為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)者起了很大的作用。
2018年，劉棟成功申請(qǐng)到布里斯托大學(xué)物理學(xué)院永久教職?，F(xiàn)在她已經(jīng)靠自己獲得的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)建立起了獨(dú)立的研究團(tuán)隊(duì)，帶領(lǐng)一支十多人的團(tuán)隊(duì)專門研究各種復(fù)雜材料在極端工況下的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為。
2022年初，劉棟開始擔(dān)任布里斯托大學(xué)物理學(xué)院材料與器件方向的負(fù)責(zé)人，并在2022年夏天成功晉升到Reader/Associate Professor職位。
“從土木工程到機(jī)械工程，再到物理學(xué)，橫跨了三個(gè)專業(yè)，因?yàn)槲也幌胱屪约旱囊曇熬窒拊谝粋€(gè)領(lǐng)域。”劉棟說，“我喜歡學(xué)習(xí)新的知識(shí)，也喜歡探索新領(lǐng)域。”
科學(xué)沒有邊界，學(xué)習(xí)永無止境。
劉棟表示，如今自己帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)有學(xué)化學(xué)的、學(xué)物理的、學(xué)材料的，不同專業(yè)的知識(shí)可以讓他們不受單一專業(yè)的禁錮，在探索新事物過程中找到更好的解決方案。
相關(guān)論文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2205
標(biāo)簽： 材料機(jī)理
