經(jīng)世致用 “材料”強國
——專訪中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長劉立斌教授

本刊記者 馬 兵

經(jīng)世致用 “材料”強國
——專訪中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長劉立斌教授

本刊記者 馬 兵

國家的綜合競爭力很大程度上體現(xiàn)為快速研發(fā)復(fù)雜高技術(shù)設(shè)備和產(chǎn)品的能力。高性能材料的研制與生產(chǎn)直接關(guān)系到大型、高性能、高技術(shù)裝備制造業(yè)的發(fā)展。材料創(chuàng)新是技術(shù)進步的核心，如果新材料的開發(fā)速度跟不上需要，將限制我國制造業(yè)的發(fā)展，最終威脅到我國在汽車、航空、航天等國防與國民經(jīng)濟關(guān)鍵領(lǐng)域的競爭力。

然而，由于材料工程本身的復(fù)雜性，目前現(xiàn)有的材料設(shè)計方法還不能有效地從材料的成份和工藝來預(yù)測材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能，也很難從所需的材料性能反推出材料種類、成份與制備工藝。這樣的局面極大地延長了新材料的開發(fā)周期，成為新產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)過程中的制約因素。

材料科學(xué)專家劉立斌教授解釋說：“導(dǎo)致這種結(jié)果的主要原因是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)嚴重不足并且沒有標準化、材料設(shè)計過分依賴經(jīng)驗且遠遠沒有系統(tǒng)化、復(fù)雜體系材料性能的預(yù)測受到計算機速度和計算方法的限制?！?/p>

從相圖入手，尋找材料的最佳成分與工藝

“相圖就像是材料科學(xué)的地圖，它形象地表述不同成分的材料在不同的工藝或使用條件下材料微觀組織的演化過程，為新材料的開發(fā)與材料工藝的制定提供了重要的理論依據(jù)，是重要的材料科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。”

劉立斌的主要研究方向就是相圖和與材料設(shè)計。他表示，為了解決新型材料研制與生產(chǎn)中面臨的種種問題，必須改變目前“炒菜”式的新材料的開發(fā)方式，有必要對材料的相圖、熱力學(xué)與動力學(xué)數(shù)據(jù)進行徹底地研究，并用電腦從本質(zhì)上把這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)從物理本質(zhì)上聯(lián)系起來，構(gòu)成材料設(shè)計體系。

為此，劉立斌結(jié)合具體材料存在的具體問題，進行了一系列的探索與創(chuàng)新。

鎂合金是目前最輕的金屬材料，在航空航天和汽車領(lǐng)域使用鎂合金能大大降低燃料消耗，提高燃油經(jīng)濟性。然而，這種高性能的材料同時也存在致命的缺陷，那就是強度不夠高，耐高溫性能比較差。缺陷的根源，在于目前在鎂合金中還沒有找到很好的耐熱強化相。

針對這一問題，劉立斌帶領(lǐng)他的團隊開展“新型鎂合金結(jié)構(gòu)材料相圖與合金化原理的研究”，力圖構(gòu)建相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，并以此為基礎(chǔ)尋找新的鎂合金耐熱強化相。很快，這項工作得到了世界權(quán)威機構(gòu)瑞典Thermo_Calc公司的好評，并準備在世界上推介他們開發(fā)的相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，以供鎂合金研發(fā)與生產(chǎn)單位在鎂合金成分設(shè)計與工藝制備過程中作參考。

早在上世紀50年代，就有人發(fā)現(xiàn)只要在Al-Cu合金中加入微量的Sn、In、Cd就能將Al-Cu合金熱處理后的硬度提高70%，使達到最高硬度的時間縮短為原來的三分之一，目前這種現(xiàn)象已被用于開發(fā)航空Al合金材料。透射電子顯微鏡與三維原子探針分析發(fā)現(xiàn)，在Al-Cu合金固溶處理過程中，形成了Sn原子團簇，該團簇的存在促進了Al-Cu合金強化相的析出，縮短了強化相的析出時間，使強化相變得更細小，從而提高了Al-Cu合金的硬度與強度。

因此，劉立斌等人依舊從相圖研究入手，開展了“Al-Cu合金相圖與鋁合金微合金化研究”，解釋了固溶處理過程中Sn原子團簇的形成機理。他們提出，由于Al-Sn、Al-In、Al-Cd存在穩(wěn)定或亞穩(wěn)的液相分解，導(dǎo)致液態(tài)Sn、In、Cd在鋁基固溶體中的溶解度隨溫度降低而降低，使Al合金存在隨溫度降低而逆向熔化的現(xiàn)象，正是這種逆向熔化導(dǎo)致了Sn、In、Cd原子團簇的形成。這種新的觀點得到了澳大利亞悉尼大學(xué)著名鋁合金研究專家Simon Ringer的認可，并且吸引了美國喬治亞理工大學(xué)李默教授和韓國浦項大學(xué)李炳柱教授的注意，他們表示愿意就Sn、In、Cd原子團簇的形成與隨后促進Al-Cu合金強化相的微觀機理與中南大學(xué)合作，以進行更深入的原子級別的模擬研究。

上世紀80年代，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在鋁合金中加Sc能顯著提高鋁合金的使用溫度，但是Sc太貴，在鋁合金中加入0.23%的Sc能將鋁合金價格提高2-3倍，因此目前含Sc鋁合金主要用于戰(zhàn)斗機和體育用品等對材料成本不敏感的領(lǐng)域。

為了尋在Sc的替代品，降低可鑄耐熱鋁合金的成本，劉立斌等人目前正在開展“可鑄耐熱鋁合金相圖與合金化原理”的研究。由于從二元相圖分析中很難找出Sc的替代元素，于是他們正在試圖從三元相圖的研究出發(fā)，尋找替代元素。

以人為本，致力學(xué)科的長遠發(fā)展

如今，作為材料科學(xué)與工程學(xué)院的副院長，劉立斌不光在科研上不斷追求創(chuàng)新、尋求突破，在管理與教學(xué)上，亦是高瞻遠矚、兢兢業(yè)業(yè)。

1987年，在長沙裝卸機械廠干了兩年技術(shù)員的劉立斌，憑借驚人的毅力和韌性再次回到了課堂，考上了中南工業(yè)大學(xué)的碩士研究生，在此后23年的漫長歲月里，他從學(xué)生變成了老師，又從普通老師變成了副院長。在這所他熟悉又摯愛的校園，劉立斌盡情揮灑著自己汗水與夢想、熱情與希翼，那里，既有他敬仰的恩師金展鵬老院士，也有他精心培育的眾多莘莘學(xué)子。他見證了中南工業(yè)大學(xué)向中南大學(xué)過渡并不斷成長壯大的整個歷史過程，他參與了中南大學(xué)材料學(xué)院的211工程和985工程的規(guī)劃與實施，他也親歷了中南大學(xué)國家重點學(xué)科與國防重點學(xué)科的申報評估與建設(shè)等工作。

除了承擔(dān)本科生必修課《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、選修課《相圖與合金設(shè)計》等本科教學(xué)任務(wù)外，劉立斌還帶了十多個研究生，負責(zé)研究生必修課《材料熱力學(xué)》的教學(xué)。十幾年的教學(xué)與科研經(jīng)歷，使他對教學(xué)與科研之間的關(guān)系，有著深刻的領(lǐng)悟：“我認為教學(xué)與科研是相輔相成的，本科生專業(yè)基礎(chǔ)課《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的教學(xué)可以加強自身對材料科學(xué)全面知識的把握，防止科研搞久了，只看到自己研究的這一點。本科生選修課《相圖與合金設(shè)計》的教學(xué)能促使自己收集與自己研究方向相關(guān)的最新研究成果，并將它系統(tǒng)化為本科生選修課教學(xué)內(nèi)容，能夠促進自己對科研方向的深入思考。研究生學(xué)位課《材料熱力學(xué)》的教學(xué)能夠加深對與自己研究方向的基本原理及其進展的掌握，有利于研究生早日進入研究課題。學(xué)生基礎(chǔ)打得越牢，對學(xué)術(shù)前沿把握得越清楚，越有利于后來的科學(xué)研究工作的開展。我希望學(xué)生能夠主動學(xué)習(xí)，能不斷培養(yǎng)自己鉆研學(xué)術(shù)問題的興趣。”

為了培養(yǎng)與國際接軌的研究生，劉立斌帶領(lǐng)所在的課題組與美國俄亥俄州立大學(xué)、瑞士聯(lián)邦工業(yè)實驗室、比利時魯汶大學(xué)、德國福隆貝格工業(yè)大學(xué)、澳大利亞莫拉士大學(xué)、韓國浦項大學(xué)等都建立了合作關(guān)系，為學(xué)生交流提供了一個絕佳的國際平臺，基本實現(xiàn)了研究生的國際化培養(yǎng)。“研究生出國工作一段時間，有利于他們開拓學(xué)術(shù)視野。而培養(yǎng)的研究生能不能做到一下飛機就能從事高水平的科學(xué)研究是學(xué)術(shù)交流能否持續(xù)進行下去的關(guān)鍵?！?/p>

以人為本，是劉立斌學(xué)科建設(shè)的一個基本思路。他認為，學(xué)科建設(shè)的關(guān)鍵是人才隊伍的建設(shè)，其次才是研究平臺的建設(shè)?！皩W(xué)科建設(shè)應(yīng)該以人為本，充分發(fā)揮各類人才的潛力是學(xué)科建設(shè)的關(guān)鍵?！?/p>

正如中南大學(xué)“經(jīng)世致用”的校訓(xùn)那樣，劉立斌無論是在材料科學(xué)的創(chuàng)新方面，還是在教學(xué)與管理的探索方面，都本著一個目標：為經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)，為社會進步育人。

專家檔案：劉立斌，1966年生，湖南寧鄉(xiāng)人，中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長。1985年畢業(yè)于武漢水運工程學(xué)院（現(xiàn)武漢理工大學(xué)）金屬材料及熱處理專業(yè)，1987年考入中南工業(yè)大學(xué)（現(xiàn)中南大學(xué)）材料學(xué)院師從金展鵬院士從事相圖研究，1995年博士畢業(yè)后留校。1999年至2004年赴瑞典金屬研究所、瑞典查爾默斯大學(xué)留學(xué)，2004年9月被聘為中南大學(xué)教授，2005年4月增選為博士生導(dǎo)師。參與編寫專著2部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文60多篇，其中有40多篇在國外知名刊物上發(fā)表。