龐曉露：問題從實(shí)踐中來，成果到實(shí)踐中去

供稿|郭濤 / GUO Tao

內(nèi)容導(dǎo)讀

龐曉露，北京科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)秀青年基金獲得者。1999年考入北京科技大學(xué)材料學(xué)院，因成績優(yōu)異被保送讀研并攻讀博士學(xué)位，后留校任教，從此與涂層結(jié)下不解之緣?？朔啻罄щy，就上多高臺(tái)階，在涂層領(lǐng)域的不畏困難和不懈努力讓龐曉露在表面工程領(lǐng)域嶄露頭角。已累計(jì)發(fā)表SCI論文近90余篇，包括Acta Mater，Corros Sci等期刊，他引1800多次。問題從實(shí)踐中來，成果應(yīng)用到實(shí)踐中去。從工程實(shí)踐中凝練關(guān)鍵問題，揭示了膜致韌性基體開裂機(jī)制，發(fā)展了高溫界面結(jié)合測(cè)量方法?；A(chǔ)研究成果在核電、武器用陀螺儀以及大規(guī)模集成電路散熱基板等國家重大需求方面獲得成功應(yīng)用，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。曾獲中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)以及國家優(yōu)秀青年基金、霍英東基金、北京市科技新星、香江學(xué)者等多項(xiàng)人才項(xiàng)目。

硬質(zhì)涂層以其優(yōu)異的耐磨、耐蝕、抗氧化等性能，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天等國家重大戰(zhàn)略裝備中。然而，金屬材料表面高硬度、低韌性硬質(zhì)涂層的存在卻是一把雙刃劍，在保護(hù)基體材料不受外界環(huán)境影響的同時(shí)也會(huì)在其開裂時(shí)對(duì)基體材料造成一定的損傷，這是制約其應(yīng)用的一大瓶頸。因而，研究如何在保證硬質(zhì)涂層原有功能性的基礎(chǔ)上消除其負(fù)面影響，從而實(shí)現(xiàn)“魚與熊掌”兼得，這對(duì)帶有涂層的承載構(gòu)件安全服役具有極其重要的科學(xué)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，吸引了無數(shù)的材料科學(xué)與工程工作者，其中來自北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的龐曉露教授研究團(tuán)隊(duì)所取得的研究成果尤其引人矚目。

自1999年以優(yōu)異的成績考入北京科技大學(xué)材料學(xué)院就讀本科以來，龐曉露就立志成為一名材料科學(xué)家，而成為科學(xué)家的必要條件就是刻苦學(xué)習(xí)掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的材料科學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，于是他四年如一日，刻苦學(xué)習(xí)。功夫不負(fù)有心人，最終他以班級(jí)第一、全年級(jí)10個(gè)班前三名的優(yōu)異成績獲得保送碩士研究生資格。面對(duì)國內(nèi)眾多高校和研究所，龐曉露毅然決然地選擇了留在母校深造。在楊會(huì)生、高克瑋、喬利杰等教授們的引領(lǐng)與悉心指導(dǎo)下，他便與涂層結(jié)下了不解之緣。

圖1 龐曉露教授在某核電站考察汽輪機(jī)葉片

圖2 龐曉露教授與學(xué)生畢業(yè)合影

學(xué)以致用，為中華民族的偉大復(fù)興添磚加瓦，貢獻(xiàn)自己的一份力量是龐曉露從事科研的信念。他的研究選題都是瞄準(zhǔn)國家重大需求和國防安全，問題從實(shí)踐中來，成果應(yīng)用到實(shí)踐中去。從工程實(shí)踐中凝練關(guān)鍵問題，大量現(xiàn)象表明硬質(zhì)涂層的存在會(huì)顯著降低金屬基體的疲勞壽命，這將嚴(yán)重威脅帶有涂層構(gòu)件的安全服役，比如帶有熱障涂層的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片?？墒莾?nèi)在機(jī)制至今仍沒有統(tǒng)一的定論，針對(duì)此難題，龐曉露及其課題組成員迎難而上，堅(jiān)信“寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來”，經(jīng)過近10年的探索，最終通過在韌性金屬上沉積硬質(zhì)涂層，發(fā)現(xiàn)低應(yīng)變下涂層的開裂會(huì)導(dǎo)致金屬開裂現(xiàn)象(簡稱“膜致韌性基體開裂”)，并建立了膜致基體損傷機(jī)制并提出了防護(hù)措施，研究成果發(fā)表在Acta Mater期刊，審稿人認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)改變了硬質(zhì)涂層保護(hù)韌性基體這一傳統(tǒng)認(rèn)知。該研究成果不僅解釋了硬質(zhì)涂層為何降低基體疲勞壽命這一懸而未解的難題，同時(shí)還為超低應(yīng)力下 的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象提供理論解釋，驗(yàn)證了應(yīng)力腐蝕開裂中的膜致開裂模型，豐富了應(yīng)力腐蝕機(jī)理，更為我國自主研發(fā)的核電用汽輪機(jī)葉片安全服役提供定量的判據(jù)，節(jié)約巨額運(yùn)行成本。該研究獲得企業(yè)的高度認(rèn)可，并一起申請(qǐng)中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

圖3 不同涂層對(duì)TC4鈦合金疲勞壽命的影響

目前我國高功率器件散熱陶瓷基板幾乎全部依賴從德國和日本進(jìn)口：歸因于陶瓷/金屬高溫界面結(jié)合不牢靠。針對(duì)此問題，龐曉露及其課題組成員首先發(fā)展了一種在高溫下膜-基界面結(jié)合能的表征方法，弄清了膜-基界面結(jié)合力在高溫下的演變規(guī)律?；诖嘶A(chǔ)研究并借助于第一原理計(jì)算及等離子可控制備，研制出高結(jié)合強(qiáng)度陶瓷金屬化層，打破國外對(duì)高功率芯片散熱基板的壟斷。并順利實(shí)現(xiàn)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品結(jié)合強(qiáng)度是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8倍。該成果鑒定為“填補(bǔ)國內(nèi)空白，國際先進(jìn)”。在該部分基礎(chǔ)研究的理論指導(dǎo)下，龐曉露及其課題組成員制備了高結(jié)合強(qiáng)度激光陀螺儀高反膜的表面保護(hù)層，使其抗激光損傷能力顯著提升；制備了高結(jié)合強(qiáng)度的化鉻涂層，成功應(yīng)用于國防重大裝備中，保障了戰(zhàn)略武器的安全發(fā)射。

圖4 膜-基界面高溫結(jié)合能表征方法

迄今為止，龐 曉露已經(jīng)在Acta Mater，Corros Sci等多個(gè)國際材料領(lǐng)域的知名 刊物上發(fā)表SCI 論文近90余篇，他引1800多余次。憑借扎實(shí)的理論基礎(chǔ)以及在服務(wù)國家戰(zhàn)略上的貢獻(xiàn)，龐曉露獲得了中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)，以及國家優(yōu)秀青年基金、霍英東基金、北京市科技新星、香江學(xué)者等多項(xiàng)人才項(xiàng)目。

面對(duì)已取得的累累碩果，龐曉露總保持著謙虛的態(tài)度。他總和研究團(tuán)隊(duì)成員說：“不忘初心，砥礪前行，希望能實(shí)實(shí)在在地推動(dòng)基礎(chǔ)科研的發(fā)展并解決一些實(shí)際問題?！边@就是龐曉露，你能感受到他那份對(duì)基礎(chǔ)科研和工程應(yīng)用的執(zhí)著。正是如此，他一步一個(gè)腳印，用辛勤的汗水為我國基礎(chǔ)科研以及國家戰(zhàn)略貢獻(xiàn)著自己的綿薄之力。

攝影 劉繼鳴