北京科技大學(xué)張勇教授：探索高熵合金 譜寫材料新篇
2023-03-09 16:36:54
作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng)
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材料是人類制造生產(chǎn)工具賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，人類按生產(chǎn)和應(yīng)用的成熟程度把材料劃分為傳統(tǒng)材料和新型材料，鋼鐵、水泥、木材、玻璃和陶瓷等用來構(gòu)筑基礎(chǔ)設(shè)施和制造機(jī)械裝備為傳統(tǒng)材料，而工程塑料、碳纖維、復(fù)合材料、高溫合金和鈦合金等新型材料用量雖不及傳統(tǒng)材料，但往往是現(xiàn)代高端技術(shù)賴以實(shí)現(xiàn)的重要條件，在宇航、交通、信息、裝備制造業(yè)和生物醫(yī)用中都有良好應(yīng)用前景，在某些情況下，其作用是不可替代的，例如鈦合金和高溫合金是制約航空發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵因素。
進(jìn)入21世紀(jì)，人類對金屬結(jié)構(gòu)材料提出了新的要求，研發(fā)新材料不僅要適應(yīng)高技術(shù)發(fā)展，滿足人類高質(zhì)量生活需求，更要求資源豐富、高效能、低能耗、容易回收，可持續(xù)發(fā)展。北京科技大學(xué)的張勇教授，二十多年來就一直致力于開發(fā)新型高熵合金及其復(fù)合材料的工程使用性能、探索材料性能和微觀亞微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系以及如何通過工藝來控制微米/納米級別結(jié)構(gòu)從而改善和優(yōu)化工程材料性能。還從事非晶合金及其復(fù)合材料，BRIDGMAN技術(shù)，高通量技術(shù)，成分梯度材料方面的研究，為推動我國高合金領(lǐng)域研究做出了重要貢獻(xiàn)。張勇1969年生于河北宣化，1991年，張勇畢業(yè)于燕山大學(xué)原東北重型機(jī)械學(xué)院，1994年獲得北京科技大學(xué)碩士學(xué)位，1998年獲得北京科技大學(xué)博士學(xué)位。1994年到1998年，在中國核工業(yè)總公司202廠實(shí)習(xí)工作，隨后到中國科學(xué)院理論物理研究所作物理學(xué)的博士后。2000年，張勇進(jìn)入新加坡—麻省理工學(xué)院聯(lián)盟的微米/納米系統(tǒng)高新材料學(xué)部和新加坡國立大學(xué)理學(xué)院材料科學(xué)系工作。隨后訪問了英國謝菲爾德大學(xué)，利物摩爾大學(xué)，牛津大學(xué)，劍橋大學(xué)，新加坡南洋理工大學(xué)等，2012年在美國諾克斯維爾市田納西大學(xué)做高級訪問學(xué)者。多年的科研沉淀為他打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，他主要研究領(lǐng)域?yàn)楦哽夭牧吓c物理成分梯度材料與納米器件纖維復(fù)合材料等，在材料學(xué)科領(lǐng)域里他如魚得水，不斷攻堅(jiān)克難、創(chuàng)新突破。早在20世紀(jì)90年代，當(dāng)張勇還是北京科技大學(xué)博士的時(shí)候，就參加了我國貧鈾裝甲材料的制備及抗動能穿甲彈性能的研究工作，雖然在此研究工作中需要面臨放射性物質(zhì)的毒害，而且條件極其艱苦，張勇并沒有退縮，而是迎難而上、全心全力投入其中。研究過程中，他和同事們發(fā)現(xiàn)了裝甲板防護(hù)性能隨著陶瓷和金屬體積分?jǐn)?shù)變化的雙極值規(guī)律，即在金屬合金防護(hù)機(jī)制下隨陶瓷體積分?jǐn)?shù)變化防護(hù)系數(shù)出現(xiàn)一個(gè)極值，在陶瓷防護(hù)機(jī)制下隨金屬體積分?jǐn)?shù)變化防護(hù)系數(shù)出現(xiàn)另一個(gè)極值。在該課題中，張勇和團(tuán)隊(duì)先后制備出了碳化鈦，碳化鎢，碳化鈾，氮化硅，碳化硅等為基的多孔材料，和并通過壓力浸漬復(fù)合工藝制備出了貧鈾基和鋁基復(fù)合材料。“雙極規(guī)律”是張勇科研道路上一項(xiàng)重要的研究成果，隨后，在新加坡工作期間，他將主要的研究目標(biāo)聚焦在非晶合金和高熵合金及其復(fù)合材料領(lǐng)域，主要致力于解決這兩種材料成為新一代結(jié)構(gòu)和功能材料之前的科學(xué)問題。在非晶合金領(lǐng)域，張勇等用共晶生長耦合區(qū)原理分析了鑭基合金的最優(yōu)玻璃形成成分和共晶點(diǎn)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了微量稀土釔可以顯著提高鋯基合金的玻璃形成能力。他們利用Bridgman凝固技術(shù)，控制鋯基和鈦基合金中枝晶的分布和形貌，獲得了具有室溫拉伸塑形的內(nèi)生非晶復(fù)合材料，為非晶復(fù)合材料的工程應(yīng)用提供了可能。熵是無序的一個(gè)度量，熵和信息互為倒置關(guān)系，高熵合金是基于無序參量發(fā)展的合金。由于高熵合金具有突破現(xiàn)有材料性能極限的潛力，因此在材料科學(xué)及工程上相當(dāng)受到重視。張勇的課題組在國內(nèi)較早開展高熵材料和鋸齒行為相關(guān)研究，他利用鋁元素具有穩(wěn)定鐵素體的金屬學(xué)原理在面心立方FCC高熵合金基礎(chǔ)上，用鋁元素消除銅元素的偏析，得到了第一個(gè)高強(qiáng)度的體心立方米BCC高熵合金，該合金具有強(qiáng)大的加工硬化率，斷裂強(qiáng)度高達(dá)3000MPa。首次發(fā)現(xiàn)了高熵合金具有抗輻照的特點(diǎn)，無序合金的組織在離子輻照后，缺陷的尺寸和產(chǎn)生率更低。國際上首次利用Bridgman技術(shù)制備了高熵合金單晶樣品，A10.3CoCrFeNi和A10.3CoCrFeNi2.張勇還提出了信息熵和混合焓比值參量W，用來評價(jià)材料的熵值，已被大量文獻(xiàn)證明可以有效地預(yù)測無序固溶體和非晶相的形成。課題組合成了一系列體心立方米高熵合金，包括ZrNbTiAl NbTiAlTaV TiZrNbMoV AlCoCrFeNiTix，低活化高熵合金WTaFeCrV WTaFeCrNi UNbZrTiMo,還發(fā)現(xiàn)了這個(gè)含鎢高熵合金具有自銳性等。
與國外非晶研究及應(yīng)用化程度相比，我國的相關(guān)研究仍尚有明顯差距，作為我國非晶和高熵合金領(lǐng)域的先行者，張勇深知必須加大我國非晶領(lǐng)域科研的進(jìn)展。目前，除利用高熵概念開發(fā)新型AlMgZnCuLi和AlMgZnCuSi系列航空用輕質(zhì)合金外，他還進(jìn)行太陽能光熱集熱器高熵選擇性吸收涂層開發(fā)的研究，而開發(fā)高溫穩(wěn)定的高性能光熱轉(zhuǎn)換太陽能選擇吸收涂層極為重要，具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。張勇課題組采用磁控濺射或分子束外延MBE技術(shù)的方法在不銹鋼基體上依次鍍膜NbTiAlSiNx梯度薄膜，并采用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了塊體材料，NbTiAlSiN NbTiAlSiC等。在國際上首次研制成功高強(qiáng)高韌高熵合金纖維材料，纖維的結(jié)構(gòu)是仿生竹子纖維結(jié)構(gòu)。合作在《Science》上發(fā)表關(guān)于魚骨結(jié)構(gòu)高強(qiáng)高韌高熵合金的文章，發(fā)明了高通量開發(fā)新材料的技術(shù)，按照需求材料的性能指標(biāo)及其成本要求，首先采用高通量計(jì)算，初步篩選材料的成分和工藝，然后采用高通量實(shí)驗(yàn)小樣品驗(yàn)證，最后把得到的最終材料，進(jìn)行大樣品實(shí)驗(yàn)。在高熵合金高通量實(shí)驗(yàn)中，發(fā)明了物理掩模版和化學(xué)掩模版分離小樣品技術(shù)。天道酬勤，付出的努力和汗水總能換來欣慰的碩果，時(shí)間記錄了張勇的勤奮，一項(xiàng)項(xiàng)研究成果證實(shí)他在材料研究上的天資，這是一份沉甸甸的榮譽(yù)。目前，張勇共獲得8項(xiàng)國家發(fā)明專利的授權(quán)，2項(xiàng)美國發(fā)明專利的授權(quán)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇。2010年出版中文專著《非晶與高熵合金》，2016年合作出版英文專著《High Entropy Alloys Fundamentals and Applications》，該書被臺灣國科會評為2019年最具影響力專著。2017年參與英文專著《Magnetic sensor》第一章的編寫。關(guān)于非晶和高熵合金的研究成果，寫入了大學(xué)的兩部教材《金屬材料學(xué)》和《非平衡凝固理論與實(shí)踐》之中。2019年出版中文專著《先進(jìn)高熵合金技術(shù)》，2019年出版英文專著，《Highentropy MaterialsA Brief Introduction》。2005年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，2011年教育部自然科學(xué)二等獎，2016年中國材料研究學(xué)會先進(jìn)工作者，2015年山西省自然科學(xué)二等獎《高強(qiáng)高韌金屬非晶復(fù)合材料的變形機(jī)理》，獲得2018年國家自然科學(xué)獎二等獎《塊體非晶合金的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)韌化》，2018年教育部自然科學(xué)一等獎《高熵合金的相形成規(guī)律和組織性能研究》，2018年獲得青海省高端創(chuàng)新稱號，獲得了2019年度《中國科學(xué)》《科學(xué)通報(bào)》優(yōu)秀作者，2020年參與了英文專著《Engineering Steels and Highentropy alloys》的出版。2021年出版英文專著《Amorphous Alloys and Highentropy Materials》新加坡維澤出版社，2022年出版專著《Highentropy MaterialsMicrostrutcures and Properties》，Intechopen出版社。
幾度春風(fēng)化綢繆，多番秋雨洗鴻溝;黑發(fā)積霜織日月，粉筆無言寫春秋。張勇不忘初心，為開拓創(chuàng)新科研與教育并進(jìn)之路颯沓前行。真正的夢想，永遠(yuǎn)在現(xiàn)實(shí)之中，更在堅(jiān)持之中，張勇作為一位高熵合金在航空和太陽能領(lǐng)域應(yīng)用的開拓者，一步一個(gè)腳印，一個(gè)難題又一個(gè)難題地攻克，在科研工作中開啟了一片新天地。相信未來，他將帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，繼續(xù)為中國材料科學(xué)的發(fā)展、以及對于民族科技的發(fā)展，抒寫出更加絢麗的華章。
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