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新材料研究前沿的“行走者”

——记新金属材料国家重点实验室教授吕昭平

单位:李洁、吴渊 | 来源:校报 | 更新时间:2017-06-14 | 点击数:

“1912年英国豪华客轮“泰坦尼克号”撞上冰山沉入海底,1998年德国高速列车相撞,2003年美国哥伦比亚航天飞机坠毁,2007年美国明尼苏达州大桥倒塌……,这些灾难和事故后来经科学实验证实都是源于材料性能的问题。材料不仅是社会发展的物质基础,也是人民生命安全的保障。随着科学技术的发展,人们对材料的需求也越来越复杂,单一的某一种材料,很难满足我们的需求,现代社会已经进入了新材料时代……”北京科技大学吕昭平教授正在课堂上给学生深情讲述着有关新材料的那些事儿……

求知勤学路

“城里街衢曲巷,夜半诵声不绝。乡间竹林茅舍,清晨弦歌琅琅。”桐城,安徽省历史文化名城,享有 “文都”盛誉。课堂、邻里和乡间小路,到处都传递着“穷不丢书”的理念和共识。1970年吕昭平出生于此。这位普通的农家子弟在教育氛围浓厚的桐城慢慢长大,“勤奋学习”深深地烙印在他的内心深处。

年少时的吕昭平聪明、勤奋、爱读书,求学之路平坦而顺利。1988年,18岁的他以优异成绩考入华中理工大学(现华中科技大学)机械工程二系。四年后,1992年他凭借扎实的专业基础从全系70多人中脱颖而出,获得保送本校研究生的两个名额之一。1996年,在知名企业一线工作一段时间后,他决定“到国外去看看,了解最先进的技术”,于是奔赴新加坡国立大学材料科学系师从李毅教授攻读博士学位。2001年,带着对材料学科研究与技术应用的深入思考,他来到美国田纳西州的橡树岭国家实验室,师从国际著名材料学家、美国工程院院士、中国工程院外籍院士,被称为国际“金属间化合物之父”刘锦川教授,开始了自己的博士后研究。

美国橡树岭国家实验室是一所隶属于美国能源部的大型综合性研究机构,作为国际著名的基础和应用研究基地,多年来为美国的尖端武器研制提供材料支撑,承担着极端服役环境下先进材料的研发工作。吕昭平进入这个实验室犹如游鱼得水,很快就在非晶合金和耐热不锈钢等材料研究领域取得突破性的学术成果,多次获得国际知名学术杂志的专题评述和世界各国媒体的宣传报道。连续发表高水平的研究论文不仅引起美国橡树岭国家实验室同行的关注,也赢得了导师刘锦川教授的欣赏与信任。结束了博士后研究后,在导师的力荐下,吕昭平很快就受聘成为这个国际一流实验室的一名正式研究员。

舒适优越的海外生活没有泯退吕昭平的爱国之心,祖国科学发展的每一步都牵动着他的心。当接到北京科技大学新金属材料国家重点实验室的加盟邀请时,他的心动了。思考了不到40秒,他给妻子打了个电话:“我想回国,好吗?”妻子:“好啊,你到哪儿我和孩子们就跟你到哪儿。”他很快卖掉美国400平米的大房子和汽车,告别了医疗教育等优越条件,告别了悠美的自然环境,告别了钓鱼、割草的悠然安逸生活,举家回到思念已久的祖国。没有任何豪言壮语,他只是开心地大声说:“回到祖国,我的心都安定了!”

回国后的吕昭平,一头扎进实验室,带领他的团队投入到热爱的新材料前沿科研工作中。

执著材料梦

成功来源于热爱。怀揣一颗火热的专注科学研究的心,追逐着新材料发展的梦想,吕昭平带领团队在新材料前沿的科学研究中越走越顺畅。

在好莱坞科幻电影《终结者》中曾看到这样神奇的一幕:由液态金属制成的未来战士被击碎后,通过流动达到了自我修复。在现实生活,我们可以找到对应的材料,就是非晶合金。非晶合金又被称为金属玻璃,它是一种在过冷条件下快速凝固获得的具有类似液体结构的合金,具有优异的强度、耐腐蚀和超塑性,是近年来国际材料领域的研究热点之一。吕昭平从攻读博士学位起就开始对非晶合金展开研究,凭借先天的聪颖和后天持续不断的努力,他很快走在了这一研究领域的国际前沿,2004年有关非晶钢的论文就被美国物理学会评为当年世界上“Top Physics Stories”之一,关于非晶形成能力的论文被ISI机构确定为材料科学界2005年“Fast Moving Frontier”论文。回国后的吕昭平带领团队继续在非晶合金研究方向上钻研攻关。针对非晶合金实际工程应用的关键瓶颈问题—室温脆性和应变软化,2010年,吕昭平带领团队在国际上率先引入“相变诱导塑性”这一概念,成功地制备出具有拉伸塑性和加工硬化能力的相变诱导塑性非晶复合材料,首次在行业内得到了在保持高强度的同时具有高拉伸塑性的非晶合金材料。这一研究成果在影响因子18.9的国际著名材料期刊《Advanced Materials》发表,被认为是块体非晶合金强韧化上的一个重要突破,《Nature-Asia Materials》为此成果予以专题评述,认为这一研究成果“为其它合金体系中开发大韧塑性非晶合金材料提供了一种新的思路,并对非晶态合金材料的实际工程应用起到极大的促进作用。” 另一著名学术期刊《Science》杂志也对此研究进行了专门报道和评述,认为这“极大提升了非晶合金的潜在结构应用,并开辟了一个新的科学研究方向”。同年,吕昭平在《Physics Review Letters》发表了对纳米尺度上非晶微观结构的最新认识,揭示了非晶合金原子排列的球周期有序结合局域平移有序的普遍特征,有效地实现了局域原子团簇和三维原子结构的整体结合,所建立的非晶合金球周期结构的普适结构模型,被认为是我国学者对非晶研究领域的一个重要贡献。吕昭平团队还将传统凝固中的异质形核思想应用到大尺寸非晶复合材料的开发中,通过设计微合金化方案,调控奥氏体型晶相的形核与长大,成功地开发了厘米级的具有优异拉伸性能和加工硬化能力的相变韧塑化非晶复合材料。该成果得到同行审稿人的高度评价并推荐发表在《Advanced Materials》上,被认为是块体非晶复合材料的又一个突破。

耐热不锈钢是工业界广泛使用的一类特殊钢,对于缓解全球温室效应影响下的气候变化威胁、提高能源利用效率、保护自然环境具有重要意义。吕昭平团队为了这一全球重大问题而努力寻求着材料领域的解决方案。由于传统的耐热不锈钢含有大量的铬元素,铬元素高温下氧化会在材料表面形成致密的氧化保护膜,但是这一层氧化膜在高温和水蒸汽环境下会很快失效,早在美国橡树岭国家实验室工作的时候,吕昭平就关注了这个问题,开始了新的耐热机制研究。经过理论分析和反复实验,他和同事们发现通常作为钢铁冶炼中用于脱氧的铝元素可以替代铬发挥同样的作用,形成的氧化膜层可以在高温和水蒸汽环境稳定存在,根据这一发现,吕昭平和他的同事们研制出新一代高强度、抗蠕变、耐氧化、低成本的高温奥氏体不锈钢。这一研究成果获得美国专利授权并在《Science》杂志上发表,国际著名材料评论刊物《Materials Today》以专题形式予以报道,引起了学术界的轰动。回国后,由于意识到这方面研究的重要性,虽然没有得到专项经费支持,吕昭平千方百计筹措科研经费坚持耐热钢方面的研究,历时多年,终于研发出750℃和水蒸气服役条件下的新型耐热钢,综合性能大幅超过在美国开发的同类材料。

在航空航天、新能源、先进装备制造、高速列车和国防安全等国家重大关键技术领域,对于高端的超高强钢有着重大需求。传统的马氏体时效钢含有大量的钴、钛和钼等贵重合金元素,且要经过复杂苛刻而严格的冶炼和热处理工艺,价格昂贵。“如何进一步提高钢铁材料的极限强度并降低成本和简化工艺?”吕昭平团队一直在试图解决这个难题。通过创新合金设计理念,大幅降低钼等贵重元素含量,完全不含钴钛等昂贵合金元素,代之以铝和碳等常见的“平民”元素,利用不同的强化机理,成功研发出一种高密度纳米析出强化的超高强马氏体时效钢。这种新超高强钢不但成本低,而且抗拉强度达到2200兆帕,同时塑性不低于8%,大幅度提高了高强钢铁材料的综合性能。国际顶级期刊《Nature》于2017年4月发表了这一来自中国大陆材料学家们的突破性研究进展。业内专家评价认为,这一突破不但有力地推动该类材料的实际工程应用,其设计理念还有希望应用于其他合金体系,为新型超高强度材料的发展打开了新的研究思路。

吕昭平团队还致力于高熵合金研究。他的团队推动并引领了高熵合金领域研究前沿,在高熵合金基础研究方面有着国际领先的优势,提出了预测多主元高熵合金相形成的规律的判据;揭示了熵在高熵合金相稳定性中的作用;在理解高熵合金相稳定性和强化机理方面取得了突破,为设计新型高性能高熵合金提供了科学依据。基于在高熵合金领域的开创性工作,他的团队2014年受《Progress in Materials Science》杂志邀请撰写高熵合金方面的综述文章,该文目前已被SCI引用超过400次,成为该领域的最重要的文献之一。近期,吕昭平团队进一步将“相变诱导塑性”的概念应用与高熵合金,解决了一类高熵合金的脆性问题,研究成果已经被《Advanced Materials》接收发表。针对高熵合金关键的相稳定性问题,吕昭平团队采用原位高压同步辐射技术,发现高熵合金的多形性转变,打破了人们对于高熵合金相稳定性的普遍认识。

春种一粒粟,秋收万颗子。执著、专注于新材料研究的吕昭平及其团队,在他回国十年之际,已经硕果累累。迄今,吕昭平团队已经在国际学术期刊发表高水平论文100余篇,被引用5000余次,获得授权发明专利30余项。吕昭平本人受聘为教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、获得国家杰出青年科学基金资助,入选国家百千万人才工程、“有突出贡献中青年专家”及国家“万人计划”领军人才等称号。团队获得教育部创新团队滚动支持,团队成员获得国家“优青”、“万人计划”青年拔尖人才、北京市科技新星等称号。

阳光生活情

高尔基曾说过,生活的美妙就在于它的丰富多彩,要使生活变得有趣,就不断地充实它。

吕昭平一直以自己的导师刘锦川教授为榜样,认真做好一棵关爱小草的大树、一块具有吸引力的磁石、一位引导青年成功航行的舵手!

青年教师小吴老师谈到,吕老师对于科研、对生活、对教育的那份热爱让我们感动。“师德先进”等称号是大家对他的评价,他只是一心一意做我们的“良师益友”。他教会我们,好工作会自己说话,工作好同行评价才会高,才是真正的成功。“吕老师爱转实验室。”博士生小宋说到,“他总说,一手的实验数据是最重要的,不论看起来是对的还是错的,都要认真反复推敲,寻求创新点和突破口。”

负责组织团队活动的博士生小喻同学说,每周一次的组会雷打不动,不论吕老师多忙,会开到多晚,他都会仔细认真地倾听我们每一个的近期工作、实验、生活的汇报,与我们交流。他总会用幽默的语言,结合自己的亲身经历告诉我们人生的道理,鼓励我们走好自己的人生之路。在团队中,我们不断成长,心理日趋成熟,改变以前“为找个好工作而学习”的想法,我们也要像吕老师一样为国家做贡献,不为名利,勇攀科研高峰。

小何同学,一位曾对未来生活规划产生迷茫的小伙子,在他纠结于出国深造或直接工作的两难选择时,吕昭平不断地与他谈心,帮他分析,在那一年最冷的一个冬日,他们俩在学生宿舍楼下聊了很久。“吕老师帮我拨开心中的迷雾,我不再有任何心理压力,我不要碌碌无为的一生,要对自己有个清晰的定位!”

博士一年级的小李同学说:“我们吕老师爱打篮球、还会烙饼!”曾是华科大篮球校队的吕昭平每周都会和同事一起打篮球,他喜欢那种挥洒汗水在球场的感觉,喜欢那种运动强化体能的生机勃勃的感觉。他总说,自己就是一个“炒菜”的“大师傅”,在不断的“烹饪”中找到新的材料。他经常为学生下厨,尤其擅长“烙饼”。因为在他看来,烙饼和研发新材料有异曲同工之妙,都是不断添加、减少、调配各种成分,最终形成成品的有趣过程!

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。低调平实、醉心科研、关爱学生、热爱生活,这就是一位学者的印象。在科学探索的过程中,吕昭平收获了学术成果,也收获了一份快乐和满足,他说,“在人类历史发展的长河中,新材料不断地创造着人类的新生活。坚持不懈地行走在新材料研究的前沿,我很快乐!”

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