科學(xué)與人文的統(tǒng)一
——訪長江學(xué)者、西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院劉峰教授Unity of Science and Humanity

本刊記者 海 山

：多元合金凝固應(yīng)用普遍，如航空發(fā)動機關(guān)鍵部件高溫合金單晶葉片的制造，請談?wù)劮瞧胶饽汤碚撊绾瓮苿雍娇崭邷睾辖鸬陌l(fā)展？有哪些需要突破的難點問題？

劉峰：非平衡凝固理論研究旨在將凝固條件與微觀組織聯(lián)系起來，理解實際材料加工過程中的組織形成，并對加工工藝設(shè)計提供指導(dǎo)。盡管前人在凝固理論方面的研究取得巨大成就，但經(jīng)典理論主要針對二元稀溶液合金凝固過程，采用理想溶體模型描述熱力學(xué)狀態(tài)，即假定組元之間沒有相互作用。而實際多數(shù)合金（例如Ni基高溫合金）通常有十幾種組元，且部分組元的濃度比較高。在這種情況下，組元之間存在強烈的相互作用，因而經(jīng)典理論不再適用。

為解決這一問題，松弛經(jīng)典凝固理論中二元和理想溶體假設(shè)，利用最大熵產(chǎn)生原理將凝固理論拓展到多元濃溶液合金系中，發(fā)展了多元濃溶液合金非平衡凝固的界面動力學(xué)、形貌穩(wěn)定性分析及枝晶生長模型，并以多個三元合金（Al基、Ni基）為例，展示了組元間強烈的相互作用對凝固動力學(xué)過程的影響。當(dāng)前理論可應(yīng)用于單相的多元濃溶液合金系，例如Ni基高溫合金和部分高熵合金均屬于此類合金，因而可對這些合金凝固過程中的組織形成提供指導(dǎo)。當(dāng)前工作縮短了凝固理論研究與現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)的差距，拓寬了非平衡凝固理論的應(yīng)用范圍，但是仍存在一些亟待解決的問題。例如，工業(yè)生產(chǎn)中的實際合金不僅為多元合金而且其凝固組織往往由多相組成。因此，非平衡凝固理論不僅要發(fā)展到實際中的多元固溶體合金也要針對多元多相合金以解決相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)問題。此外，合金在凝固后大都要經(jīng)歷固態(tài)轉(zhuǎn)變，當(dāng)前研究尚未體現(xiàn)非平衡凝固與固態(tài)相變這兩個物理過程間的關(guān)聯(lián)性，展示非平衡凝固組織狀態(tài)對后續(xù)固態(tài)轉(zhuǎn)變的影響。這些問題，我們將在未來的研究中給出答案。

：納米晶材料的性能優(yōu)異但處于極高的熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，請介紹一下您所帶領(lǐng)的團隊在納米晶熱穩(wěn)定性方面開展了哪些工作？

劉峰：納米晶材料處于熱力學(xué)非平衡態(tài)，在溫度和應(yīng)力的作用下極易發(fā)生失穩(wěn)，發(fā)生晶粒長大甚至相變，進而可能改變依賴于納米尺度的性能。圍繞納米晶材料的穩(wěn)定性，團隊開展了大量工作，取得了一些成績：（1）基于溶質(zhì)偏析降低晶界能這一熱力學(xué)觀點，從經(jīng)典的Gibbs等溫吸附方程出發(fā)得到晶界能模型，成功描述了納米晶亞穩(wěn)平衡態(tài)尺寸；（2）將晶界能模型應(yīng)用于納米晶晶粒長大動力學(xué)過程，耦合激活能效應(yīng)，指出熱力學(xué)效應(yīng)和動力學(xué)效應(yīng)分別控制著晶粒長大的不同階段，提出熱力學(xué)和動力學(xué)同時作用于納米晶材料熱穩(wěn)定性的科學(xué)理念。在International Materials Reviews，對上述成果我們發(fā)表了一篇針對性綜述。近期，本團隊對純金屬、合金體系的分子動力學(xué)模擬研究結(jié)果表明，晶粒長大過程中的熱-動力學(xué)存在相關(guān)性：熱力學(xué)驅(qū)動力的降低伴隨著動力學(xué)能壘的提高。圍繞這一基本理念，我們正在努力開展工作，希望提出一個全面考慮熱力學(xué)和動力學(xué)效應(yīng)的納米晶穩(wěn)定性新判據(jù)，據(jù)此設(shè)計高熱穩(wěn)定性納米晶材料。此外，基于納米晶熱穩(wěn)定性的研究成果，我們探究了納米晶相變過程，進一步利用相變調(diào)控組織，得到了新的非均質(zhì)納米結(jié)構(gòu)材料。初步力學(xué)測試結(jié)果表明，新的納米結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異的強塑性。希望下一步將熱穩(wěn)定性研究和力學(xué)性能研究統(tǒng)一，從熱穩(wěn)定性出發(fā)，著眼于力學(xué)性能，設(shè)計得到高穩(wěn)、高強、高塑的納米晶結(jié)構(gòu)材料。

：關(guān)于如何走好“基礎(chǔ)研究”之路，如何將科研中的“想法”轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量論文，您有哪些經(jīng)驗與我們分享？

劉峰：科技是第一生產(chǎn)力，而基礎(chǔ)研究是科技發(fā)展的重要基石，是躋身科技強國的必要條件，是建設(shè)創(chuàng)新型國家的根本動力。在材料加工領(lǐng)域，如果沒有相變理論作指導(dǎo)，材料的組織調(diào)控就只能是摸著石頭過河?；A(chǔ)研究既不像應(yīng)用研究那樣有明確的目的性，其產(chǎn)出的新概念、新理論又不像技術(shù)開發(fā)新材料那樣具有實用性。因而，基礎(chǔ)研究之路很少有繁花相伴，考驗的則是人的耐性和執(zhí)著。要走好此路，應(yīng)避免急功近利，要有堅定的科學(xué)信念，心無旁騖才能矢志不移，堅持創(chuàng)新才能繼往開來。基礎(chǔ)研究需要突出的創(chuàng)新能力，以及在前人工作基礎(chǔ)之上勇于和善于提出問題及想法的能力。有關(guān)基礎(chǔ)研究的高水平論文，要么是理論想法極具新穎性，要么是問題的解決非常系統(tǒng)。以想法或問題為驅(qū)動，展開文獻調(diào)研，系統(tǒng)總結(jié)前人工作，松弛傳統(tǒng)理論假設(shè)，結(jié)合實際過程進行深入的理論模型擴展或者重建，并借助試驗進行理論模型的驗證，最終對比、分析和討論新理論、新想法中所蘊含的特征以及所存在的規(guī)律。 在基礎(chǔ)研究行為中，深深地體會“經(jīng)典與現(xiàn)實的差距”，并切實地感受“科學(xué)與人文的統(tǒng)一”。

劉峰：作為團隊負責(zé)人，需以身作則，不斷提高自己的學(xué)術(shù)水平，在業(yè)務(wù)上不斷進取。作為一個團隊的舵手，需密切掌握團隊的發(fā)展動向。作為團隊教師的領(lǐng)頭人和總協(xié)調(diào)人，需協(xié)調(diào)團隊各成員之間的合作和發(fā)展；切實加強團隊核心中青年成員的培養(yǎng)工作；加大投入，優(yōu)先安排青年教師進修學(xué)習(xí)、考察交流及參加重大教研活動，促使其快速成才。作為博士生導(dǎo)師，在學(xué)術(shù)上嚴(yán)格要求學(xué)生，不定時找學(xué)生討論，堅持給學(xué)生修改每一篇論文，本著知人善任、因材施教的理念，從學(xué)生入學(xué)開始，便引導(dǎo)學(xué)生盡快找到自己的研究方向和發(fā)展?jié)撃?。為了促進學(xué)生的迅速成長，鼓勵學(xué)生參加學(xué)術(shù)會議，從各方面給予最大的支持。讓每個學(xué)生按照一個正確的邏輯做事情，成為優(yōu)秀的學(xué)生。此外，密切加強國際國內(nèi)合作，為青年教師與國內(nèi)外同行的合作牽線搭橋，積極選派學(xué)生去國內(nèi)外最優(yōu)秀的課題組交流學(xué)習(xí)，積極開展與兄弟課題組的學(xué)術(shù)交流互動，取長補短。事實證明，在上述舉措下，本課題組愈發(fā)蓬勃發(fā)展，并不斷發(fā)展壯大。團隊未來圍繞“非平衡相變過程控制與組織形成理論”這一領(lǐng)域，將著眼于非平衡相變熱力學(xué)驅(qū)動力和動力學(xué)能壘關(guān)系，重點主攻3個方向：鑄造鋁合金加工、低合金鋼組織調(diào)控和納米結(jié)構(gòu)材料設(shè)計。我們相信，通過上述3個方向的探索，將為本學(xué)科的發(fā)展書寫燦爛的一章。