先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，創(chuàng)造航空未來(lái)
——訪先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與機(jī)械系統(tǒng)并行工程專(zhuān)家，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授

：請(qǐng)為我們簡(jiǎn)要介紹一下香港城市大學(xué)及其優(yōu)勢(shì)學(xué)科。

呂堅(jiān)：香港城市大學(xué)（簡(jiǎn)稱(chēng)：城大）雖然建立時(shí)間比較短，但現(xiàn)在是全球發(fā)展最快的大學(xué)之一，根據(jù)英國(guó)QS全球大學(xué)排名，城大位居全球第55位，亞洲第7位。在最近發(fā)布的泰晤士亞洲大學(xué)排名中，目前位居第12位。對(duì)于一所年齡僅有33歲的大學(xué)來(lái)說(shuō)，發(fā)展是比較快的。

從優(yōu)勢(shì)學(xué)科來(lái)講，理工科和商科實(shí)力較強(qiáng)，其中數(shù)學(xué)是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的學(xué)科。根據(jù)上海交大世界大學(xué)學(xué)術(shù)排名，數(shù)學(xué)位居全球第22位，在大中華區(qū)名列第1位，第2位是香港中文大學(xué)，第3位是北京大學(xué)。工程位居全球第24位，香港第一。根據(jù)美國(guó)US News & World Report最新發(fā)布的消息，我們的計(jì)算機(jī)位居全球第9位，工程專(zhuān)業(yè)排名全球第11位。如果把香港所有大學(xué)的所有學(xué)科在USNews&World Report排名，這兩個(gè)學(xué)科的位置是頭兩名。根據(jù)美國(guó)UT Dallas世界大學(xué)商學(xué)院學(xué)術(shù)排名，城大位居亞洲第2名，全球第28名，第26名是香港科技大學(xué)。在近七八年的時(shí)間里，我們上升了約40位。希望在不久的將來(lái)，商科也能成為香港最好的學(xué)科。

：在材料科學(xué)方面，城大有哪些優(yōu)勢(shì)？取得了哪些研究成果？目前受到廣泛關(guān)注的高溫材料有哪些？

呂堅(jiān)：我校是香港唯一開(kāi)設(shè)材料科學(xué)系的院校，我們團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心取得了很多成果。去年在高溫材料方面，劉錦川院士作為共同通訊作者與南京理工大學(xué)陳光教授在Nature Materials發(fā)表了高溫PST TiAl單晶的論文。在微納尺度硅材料方面，陸洋博士與MIT合作發(fā)表的一篇論文被DeepTech作為例子與大家分享。

如何使材料的強(qiáng)度接近理論值一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)，然而，其制備方法的苛刻與復(fù)雜性往往限制了其實(shí)際應(yīng)用。在材料研究領(lǐng)域，人們通常使用阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的缺陷控制來(lái)提高強(qiáng)度。但是，這種強(qiáng)化效應(yīng)不能被無(wú)限擴(kuò)大。引入過(guò)多的缺陷會(huì)使得材料的主導(dǎo)變形機(jī)制由位錯(cuò)相關(guān)過(guò)程向缺陷軟化行為轉(zhuǎn)變。例如，納米晶/納米孿晶材料的強(qiáng)度通常位于σ=E/85區(qū)域（其中σ為強(qiáng)度，E為楊氏模量）。非晶化是另一種提高材料強(qiáng)度的有效途徑，這是由于非晶結(jié)構(gòu)中不含有晶界和位錯(cuò)等缺陷。材料非晶化后，其變形模式由位錯(cuò)活動(dòng)向剪切變形轉(zhuǎn)變。金屬玻璃（MG）的強(qiáng)度位于σ=E/50區(qū)域，通常高于其晶體形態(tài)。然而，由于在形變過(guò)程中的剪切應(yīng)力集中所導(dǎo)致的剪切帶的軟化效應(yīng)使得MG所能承受的最大應(yīng)力只能被限制在2%的應(yīng)變處。因此，非晶材料的強(qiáng)度也不能達(dá)到理論值。我們研究組一直致力于MG材料及高強(qiáng)高韌納米晶組織結(jié)構(gòu)及其性能的研究，在Physical Review Letters上報(bào)道了在原子尺度上實(shí)現(xiàn)MG雙相結(jié)構(gòu)來(lái)討論類(lèi)二十面體短程有序結(jié)構(gòu)對(duì)MG熱穩(wěn)定性的重要作用；在Nature Materials及Nature Communications上報(bào)道了MG原子尺度的非均勻性；并于Advanced Materials中預(yù)見(jiàn)了若MG材料中兩相（兩非晶相或納米晶相-非晶相）的體積比為1∶1時(shí)，材料將會(huì)出現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)性能。最近又取得重大突破，首次發(fā)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)大體積的超納雙相材料。這種結(jié)構(gòu)使得鎂合金具備3.3GPa的超高強(qiáng)度，達(dá)到了近理論值E/20。這種尖端新型材料的強(qiáng)度比現(xiàn)有超強(qiáng)鎂合金晶體材料高出10倍，變形能力較鎂基金屬玻璃高2倍。相關(guān)論文于北京時(shí)間2017年4月6日在Nature線(xiàn)上發(fā)表。在文章中第一致謝資助單位是國(guó)家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目，是北京航空航天大學(xué)徐惠彬校長(zhǎng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層項(xiàng)目。此項(xiàng)目的基礎(chǔ)研究剛開(kāi)始受到很多人的質(zhì)疑，然而事實(shí)證明了我們不僅能做基礎(chǔ)研究，還能做到世界一流。

目前我們還在研發(fā)一種添加了預(yù)應(yīng)力的自適應(yīng)多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)材料，可從一個(gè)穩(wěn)定形態(tài)轉(zhuǎn)換至另一個(gè)穩(wěn)定形態(tài)，保持穩(wěn)定形態(tài)不需要任何外部輸入能量或持續(xù)的應(yīng)力支持，這種具有保持多個(gè)形態(tài)的結(jié)構(gòu)在需要形態(tài)變化的工業(yè)應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，例如，制備可變機(jī)翼能滿(mǎn)足其在使用過(guò)程中對(duì)特定形態(tài)的需要，可大幅度提升飛機(jī)的升力。此材料我們已經(jīng)申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利。

高溫材料目前受到重點(diǎn)關(guān)注的有兩種：

（1）金屬間化合物。高溫是大多數(shù)金屬的大敵，金屬在高溫下會(huì)失去它原有的高強(qiáng)度，而對(duì)金屬間化合物來(lái)說(shuō)，卻不存在這樣的問(wèn)題。在700～800℃的高溫下，大多數(shù)金屬間化合物只會(huì)更硬。這就使金屬間化合物材料在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面具有極大的潛在優(yōu)勢(shì)。然而事物的優(yōu)劣總是一把雙刃劍。伴隨著金屬間化合物的高溫強(qiáng)度而來(lái)的，是它本質(zhì)上難以克服的室溫脆性。我中心的劉錦川院士在揭示金屬間化合物的脆性本質(zhì)方面做出了開(kāi)創(chuàng)性的工作。1992年，在他的倡導(dǎo)與組織下，舉辦了第一屆金屬間化合物國(guó)際研討會(huì)，此會(huì)議每3年舉辦一次，連續(xù)至今，會(huì)議學(xué)術(shù)水平之高、學(xué)界影響力之大，成為我國(guó)科學(xué)界國(guó)際交流與合作的典范。目前已有約300種金屬間化合物可用，除了作為高溫結(jié)構(gòu)材料以外，金屬間化合物的其他功能也被相繼開(kāi)發(fā)，稀土化合物永磁材料、儲(chǔ)氫材料、超磁致伸縮材料、功能敏感材料等相繼洶涌而來(lái)。金屬間化合物材料的應(yīng)用極大地促進(jìn)了當(dāng)代高新技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)與元器件的微小型化、輕量化、集成化與智能化，促進(jìn)了新一代元器件的出現(xiàn)。金屬間化合物這一“高溫英雄”最大的用武之地將會(huì)在航空航天領(lǐng)域，如密度小、熔點(diǎn)高、高溫性能好的鈦鋁化合物等具有極誘人的應(yīng)用前景。

（2）高熵合金。高熵合金概念由中國(guó)臺(tái)灣科學(xué)家葉均蔚教授于1995年提出，并于2004年發(fā)表混合五六種以上等比例金屬、性能更佳的高熵合金，自此開(kāi)創(chuàng)了全新的材料研究及應(yīng)用領(lǐng)域。美國(guó)也投入了大量的人力、物力、財(cái)力來(lái)研究，目前我們中心也是全球做得最好的之一，被Materials Today邀請(qǐng)撰寫(xiě)綜述文章（High-entropy alloy: challenges and prospects）。高熵合金具有一些傳統(tǒng)合金所無(wú)法比擬的優(yōu)異性能，如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨耐腐蝕性、高熱阻、高電阻等，因而成為在材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中繼大塊非晶之后一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

呂堅(jiān)：香港的高校與內(nèi)地高校在中央政府特殊政策的大力支持下，合作與聯(lián)系非常緊密，允許我們參與許多國(guó)家的重大項(xiàng)目。這些政策也是在摸索中前行，難免會(huì)遇到某些困難，大家也在積極探討這種模式的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)施持續(xù)的改進(jìn)計(jì)劃。香港各高校的科研實(shí)力是非常強(qiáng)的，匯集了大量?jī)?yōu)秀的資源，也希望得到香港政府的大力支持，讓香港更多地參與到國(guó)家項(xiàng)目中，使這些優(yōu)勢(shì)資源發(fā)揮巨大的作用力。在香港，科研的人均投入是0.7%GDP，而深圳是4.1%GDP，這個(gè)差距還是挺大的，我有信心這種情況將來(lái)會(huì)得到改善。

香港和內(nèi)地合作實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)可體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）內(nèi)地有較好的應(yīng)用背景。香港本身是沒(méi)有工業(yè)的，即使研發(fā)出成果，也沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用。（2）內(nèi)地學(xué)科全，人才比較多，而我們更多的是專(zhuān)，有利于相互借鑒，在某一領(lǐng)域進(jìn)行合作和深入交流。（3）國(guó)家的各種需求比較迫切，正好給合作提供契機(jī)，讓我們參與到項(xiàng)目中。

：您在法國(guó)生活和工作多年，請(qǐng)您在人才培養(yǎng)模式上談?wù)剛€(gè)人體會(huì)。法國(guó)也是航空大國(guó)，公司在保持創(chuàng)新力方面有哪些措施？

呂堅(jiān)：在人才培養(yǎng)方面：首先，法國(guó)教育非常重視基礎(chǔ)教育，課程和內(nèi)容非常多。在法國(guó)，如果你讀一流預(yù)科的物理化學(xué)班，也要上很多數(shù)學(xué)課，課程量和清華大學(xué)錢(qián)學(xué)森班接近。在法國(guó)時(shí)與上海大學(xué)建立了中歐工程技術(shù)學(xué)院，該學(xué)院在課程、內(nèi)容和課時(shí)上都做了一些調(diào)整。其次，動(dòng)手能力訓(xùn)練較多。法國(guó)貢比涅技術(shù)大學(xué)采用的是MIT的模式，所以我在一年級(jí)就進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，還有一項(xiàng)關(guān)鍵的課程設(shè)置是學(xué)生一般需要在公司實(shí)習(xí)8～14個(gè)月。

在保持創(chuàng)新力方面：學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入公司保持持續(xù)的創(chuàng)新能力主要在于有良好的進(jìn)修機(jī)制，國(guó)家對(duì)公司征收工資一定百分比的稅來(lái)讓員工接受繼續(xù)學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，費(fèi)用從所征收的稅中支付，如果不讓員工學(xué)習(xí)，這筆費(fèi)用國(guó)家可挪給大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)作為學(xué)習(xí)費(fèi)用，因此迫使雇主來(lái)考慮員工的繼續(xù)學(xué)習(xí)問(wèn)題。

另外，國(guó)外的公司在基礎(chǔ)研究方面投入較多，有很多平臺(tái)，還有專(zhuān)門(mén)做預(yù)研的機(jī)構(gòu)。比如一些航空公司自己開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的設(shè)計(jì)軟件，據(jù)我了解，國(guó)內(nèi)的公司還不具備這樣的條件。做得比較好的就是Dassault System開(kāi)發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件CATIA，其領(lǐng)導(dǎo)地位得到世界范圍內(nèi)的認(rèn)可。

：國(guó)外在鼓勵(lì)科研成果轉(zhuǎn)化方面采取了哪些措施？

呂堅(jiān)：國(guó)外鼓勵(lì)大學(xué)教授科技成果轉(zhuǎn)化的措施有以下兩點(diǎn)：（1）大學(xué)里鼓勵(lì)教授將發(fā)明創(chuàng)造成果轉(zhuǎn)換，法國(guó)將除去各種費(fèi)用以后收入的50%給發(fā)明者，另外50%給學(xué)校。（2）產(chǎn)業(yè)化過(guò)程可能花較多的時(shí)間，法國(guó)允許教授停薪留職，這項(xiàng)措施在某些領(lǐng)域起到了很好的作用，當(dāng)然，航空領(lǐng)域稍有不同，這個(gè)領(lǐng)域研究?jī)?nèi)容非常廣，一個(gè)人的投入也不能生產(chǎn)出一架飛機(jī)。

研究所的性質(zhì)與公司差不多，屬于職務(wù)內(nèi)發(fā)明，成果是屬于研究所或公司的，但是公司內(nèi)部有很多獎(jiǎng)勵(lì)制度，很自然地走向產(chǎn)業(yè)化道路。法國(guó)教授的升職主要是看對(duì)學(xué)科領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，不是只看發(fā)表的論文。

：您領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在科研成果上取得很多重大突破，你們是如何做到的？從您個(gè)人觀點(diǎn)來(lái)看，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究上，有哪些好的方法是值得借鑒的？

呂堅(jiān)：我們中心取得很多成果關(guān)鍵在于：（1）良好的心態(tài)，我所在的團(tuán)隊(duì)人均每年發(fā)表的論文是比較少的，我們希望將最有價(jià)值的成果發(fā)表在最好的期刊上，寧缺毋濫；（2）我們對(duì)自己的要求就是不希望做任何“Me too”的工作，從我們的工作來(lái)看，一般都是創(chuàng)新性研究，不介入別人在做或者我們不如別人做得好的研究。這個(gè)習(xí)慣可能受法國(guó)的影響比較大，由于國(guó)家資源不夠，法國(guó)會(huì)將資源都投入到最具有優(yōu)勢(shì)和領(lǐng)導(dǎo)地位的這兩三個(gè)研究團(tuán)隊(duì)中。雖然有很好的想法，但是如果不在這前幾名中，是拿不到任何經(jīng)費(fèi)的，這就迫使很多教授去開(kāi)發(fā)新的研究領(lǐng)域。這與中國(guó)和美國(guó)是不一樣的，中國(guó)和美國(guó)可能從事這個(gè)方向研究的團(tuán)隊(duì)有幾十或者上百個(gè)，會(huì)有很多重復(fù)工作，造成精力和財(cái)力的浪費(fèi)。

從我個(gè)人觀點(diǎn)來(lái)看，基礎(chǔ)研究應(yīng)自由探索，按照產(chǎn)出來(lái)考核可能是比項(xiàng)目引導(dǎo)更有效的方法?？茖W(xué)家可根據(jù)自己的興趣愛(ài)好來(lái)選擇題目，提出一個(gè)方案，若覺(jué)得可行就分配一定的經(jīng)費(fèi)，根據(jù)其產(chǎn)出來(lái)評(píng)估投入經(jīng)費(fèi)的額度和時(shí)間。真正的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和原始創(chuàng)新是無(wú)法預(yù)料的，也是不能做計(jì)劃的。中國(guó)目前只在萬(wàn)人計(jì)劃的頂尖人才和大學(xué)引進(jìn)人才的科研啟動(dòng)中采取這樣的方法，如果變成常態(tài)化效果可能會(huì)更好。

應(yīng)用研究應(yīng)以指標(biāo)為導(dǎo)向，充分發(fā)揮私有企業(yè)的積極性。例如對(duì)某一新產(chǎn)品，由國(guó)家來(lái)撰寫(xiě)和發(fā)布任務(wù)書(shū)，誰(shuí)先做出滿(mǎn)足性能要求或更佳的產(chǎn)品就采購(gòu)誰(shuí)的。私有企業(yè)想做，但是得不到國(guó)家的資助，而國(guó)家的企業(yè)沒(méi)有好的激勵(lì)制度不一定能做出來(lái)。國(guó)外很多行業(yè)領(lǐng)先的大公司是私有企業(yè)，公司一旦有利可圖，就會(huì)鼓勵(lì)工程師們發(fā)明創(chuàng)造新的產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足其性能要求。滿(mǎn)足要求就付費(fèi)采購(gòu)，如果不能那么對(duì)不起。在優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)下，貫徹落實(shí)軍民融合發(fā)展之路，相信在很多領(lǐng)域可取得突破性進(jìn)展。