潛心材料 未來(lái)可期
——記清華大學(xué)材料學(xué)院副教授邵洋

□ 田偉娜

鉆研一門(mén)科學(xué)，參透一種人生，或多或少都是在微觀與宏觀中交替進(jìn)行的，科研工作者對(duì)于材料的研究亦是如此。金屬材料，是一種與熱能、汽車(chē)、機(jī)械、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域息息相關(guān)的基礎(chǔ)材料，可以說(shuō)是制造行業(yè)里不可或缺的一塊“敲門(mén)磚”。早在20世紀(jì)初，研究人員就試圖通過(guò)分析材料的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)認(rèn)識(shí)并調(diào)控其宏觀性能，一旦材料的微觀結(jié)構(gòu)以及調(diào)控方法掌握清楚，就可以從材料的微觀結(jié)構(gòu)入手對(duì)其宏觀性能進(jìn)行改進(jìn)和提升，使其更好地應(yīng)用于制造業(yè)。

目前，這條架構(gòu)通向材料微觀與宏觀世界之間的橋梁正日臻完善，但已經(jīng)建好的部分卻只是針對(duì)晶態(tài)材料而言。清華大學(xué)材料學(xué)院副教授邵洋提到，與晶態(tài)材料不同，就非晶態(tài)材料而言，雖然人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其具有諸多優(yōu)異性能，但始終沒(méi)有找到從微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控其宏觀性能的理論方法和可靠途徑。近幾十年來(lái)，科研工作者做了無(wú)數(shù)努力，希望打破這個(gè)科學(xué)魔咒，邵洋也是其中一員，他希望用自己的力量將缺失的非晶態(tài)材料中微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的橋梁搭建起來(lái)。

走進(jìn)材料世界

邵洋與非晶態(tài)材料的結(jié)緣，經(jīng)歷了一番曲折。在清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系完成本科學(xué)習(xí)后，邵洋繼續(xù)在清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系進(jìn)行碩士階段的學(xué)習(xí)，期間他跟隨章曉中教授主攻計(jì)算機(jī)模擬。碩士畢業(yè)后邵洋決定走出國(guó)門(mén)，來(lái)到加拿大麥克馬斯特大學(xué)攻讀博士，在博士研究生階段以及后來(lái)在加拿大國(guó)家電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究期間，邵洋將研究重點(diǎn)集中在對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的詳細(xì)表征和分析上，所研究的材料也都是基于晶態(tài)的材料。2010年，從加拿大學(xué)成歸國(guó)的邵洋，在清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系張文征教授的引薦下，由機(jī)械系姚可夫教授引進(jìn)到清華大學(xué)機(jī)械系工作。2013年，在清華大學(xué)院系調(diào)整過(guò)程中，隨姚可夫教授課題組一起從清華大學(xué)機(jī)械系進(jìn)入新成立的清華大學(xué)材料學(xué)院工作。

回國(guó)后，根據(jù)課題組的研究方向和工作安排，邵洋決定盡快調(diào)整自己的研究方向，把所有的注意力集中到非晶態(tài)材料的研究上去。盡管晶態(tài)和非晶態(tài)材料在結(jié)構(gòu)、性能等諸多方面存在不小的差異，但憑借堅(jiān)實(shí)的材料學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)以及長(zhǎng)期積累的研究經(jīng)驗(yàn)，邵洋很快地度過(guò)了這段科研方向的調(diào)整換期，開(kāi)始全身心地投入到非晶態(tài)材料的研究中。

隨著對(duì)非晶合金的深入了解，邵洋意識(shí)到要想對(duì)非晶合金的塑性形變能力進(jìn)行改進(jìn)，就必須對(duì)其基本塑性形變載體進(jìn)行充分的認(rèn)識(shí)，也只有全面掌握了非晶合金塑性變形載體的運(yùn)動(dòng)行為后，才有可能從微觀結(jié)構(gòu)上對(duì)其宏觀力學(xué)性能進(jìn)行調(diào)控。再進(jìn)一步，就需要對(duì)當(dāng)前神秘的非晶合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的表征和建模。如果可以構(gòu)建出非晶合金的基本結(jié)構(gòu)，那么各種非晶合金的宏觀性能就可以找到具體的微觀結(jié)構(gòu)起源，從而在非晶合金這一領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)研究人員的夢(mèng)想，即從微觀結(jié)構(gòu)角度來(lái)調(diào)控宏觀性能。做科研就要頂天立地，邵洋不僅要啃非晶合金研究中的硬骨頭，而且也要在非晶合金的工程應(yīng)用上有所貢獻(xiàn)。利用非晶合金特有的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，邵洋正在嘗試其在極端環(huán)境條件下的應(yīng)用，比如航天航空中的特殊零部件。此外，鐵基非晶合金展現(xiàn)出優(yōu)異的軟磁性能，有望替代現(xiàn)有的電機(jī)用鐵芯材料，從而提高實(shí)現(xiàn)電機(jī)的小型化。他又提到，當(dāng)電機(jī)在高頻工作時(shí)，傳統(tǒng)電機(jī)的鐵芯損耗過(guò)高，這會(huì)造成電機(jī)大量發(fā)熱甚至造成損壞。若能利用鐵基非晶合金來(lái)替代，有望大幅降低電機(jī)在高頻工作下的能耗，提升電機(jī)的效率，為國(guó)家節(jié)省大量的能源?！斑@正是我們?cè)谂θプ龅氖??！鄙垩蟊硎尽?/p>

潛心非晶態(tài)材料

看似“完美”的非晶態(tài)材料，其實(shí)也有“缺陷”。沉浸在非晶態(tài)材料世界里的邵洋，并沒(méi)有被其優(yōu)異的力學(xué)性能等特點(diǎn)所“迷惑”，反而專(zhuān)從其不足入手。他認(rèn)為在更好地利用材料自身優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也要盡力去克服其存在的不足。在研究非晶合金時(shí)，邵洋認(rèn)識(shí)到非晶合金的玻璃形成能力制約著大尺寸非晶合金成分調(diào)節(jié)和制備手段的提升空間，而當(dāng)前對(duì)非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)不足也制約著對(duì)非晶合金宏觀性能的深入理解，這些都是非晶合金領(lǐng)域中最核心、最急需解決的問(wèn)題。此外，非晶合金的塑性形變能力也令科研工作者頭疼不已，普遍來(lái)說(shuō)，非晶合金都擁有極好的彈性極限，可卻幾乎沒(méi)有拉伸塑性，這就大大限制了其工程應(yīng)用及材料加工過(guò)程中對(duì)安全性的要求，也影響了非晶合金在工程中的應(yīng)用。

邵洋決心一步一步去啃這些非晶合金研究領(lǐng)域中的硬骨頭。他首先從相對(duì)簡(jiǎn)單的非晶合金塑性變形行為入手，為此，他于2017年主持了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“具有不同室溫壓縮塑性的非晶合金中剪切帶微觀結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展規(guī)律的研究”，對(duì)非晶合金的塑性形變機(jī)制及其影響因素展開(kāi)研究。

雖然項(xiàng)目還在進(jìn)行階段，但在前期研究工作的基礎(chǔ)上，邵洋已經(jīng)有了對(duì)非晶合金塑性形變機(jī)制研究的思路。他表示，要選擇具有不同室溫壓縮塑性的Pd基、Zr基、Ti基、Fe基非晶合金及部分高熵非晶合金為研究對(duì)象，以影響非晶合金力學(xué)特性的剪切帶運(yùn)動(dòng)行為為切入口，研究不同非晶合金系中單根剪切帶的形核和擴(kuò)展、多重剪切帶擴(kuò)展規(guī)律、主剪切帶滑動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)之間的異同，材料內(nèi)部自由體積在剪切帶穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展中的變化規(guī)律，以及不同組元及材料本征物理常數(shù)對(duì)這些剪切帶擴(kuò)展異同的影響規(guī)律等。

談到具體的研究方法，邵洋表示既然想要找到改善材料宏觀力學(xué)性能的方法，就要弄清楚影響非晶合金力學(xué)性能的基本塑性變形載體的形核和擴(kuò)展規(guī)律，因此他決定采用實(shí)驗(yàn)分析、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，三管齊下來(lái)揭示不同非晶合金系中力學(xué)性能遺傳特性的物理起源。邵洋說(shuō)道：“一旦弄清楚非晶合金塑性差的原因以及其斷裂機(jī)制，會(huì)為接下來(lái)通過(guò)合金化方法調(diào)節(jié)非晶合金的力學(xué)性能供理論指導(dǎo)。”

項(xiàng)目中的每一個(gè)步驟，每一環(huán)研究，邵洋在實(shí)施前都會(huì)在心中做好科學(xué)的預(yù)算。他表示對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的研究，需要涉及多方面的學(xué)科知識(shí)，也需要做好打長(zhǎng)期攻堅(jiān)戰(zhàn)的十足準(zhǔn)備，所以研究中的每一步都需要細(xì)致思考，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，不能有一絲一毫的松懈。

除了科研方向上的轉(zhuǎn)變，加入《工程材料》課程教學(xué)組后，邵洋還需要轉(zhuǎn)變的就是身份。從講臺(tái)下的學(xué)生到講臺(tái)上的教師，邵洋難免有些不習(xí)慣?！案兄x姚老師的幫助?！鄙垩笳f(shuō)。姚可夫教授是北京市教學(xué)名師，在“工程材料”課程教學(xué)過(guò)程中不僅會(huì)提醒邵洋哪些應(yīng)是課堂講授的重點(diǎn)，哪些是學(xué)生容易混淆的概念，還會(huì)在課后指導(dǎo)邵洋備課中存在的問(wèn)題。有了姚可夫教授的點(diǎn)撥與提攜，邵洋很快適應(yīng)了教師的身份。不管是科研還是教學(xué)，邵洋都很明確自己的前進(jìn)方向，也正在一步一步踐行著。