漫步微觀世界的“跨尺度”對話
——北京化工大學機電學院教授梁立紅與其先進材料及結構跨尺度力學研究

龐紅碩

梁立紅

近年來，隨著微納米力學理論的發(fā)展以及新型材料和結構的應用，微納米結構薄膜（或涂層）作為一種研究載體愈來愈受到關注。陶瓷涂層由于較好的耐磨、耐腐蝕、高熔點、低熱導等性能在航空航天、航海、化工和能源等眾多領域都有廣泛的應用。而對這種熱障涂層體系力學性能的研究，不僅對工業(yè)應用具有重要指導意義，還促進了薄膜和界面力學理論的發(fā)展。

例如，國家自然科學基金項目——“納米結構熱障涂層的損傷災變實驗及機理研究”,這項研究不僅對實際涂層應用設計具有參考意義，而且為研究微納米多尺度力學及建立有效的涂層微結構-力學性能關聯(lián)模型提供了很好的載體。為此，記者專訪了項目負責人——北京化工大學機電學院教授梁立紅。

多年來，梁立紅主要從事先進材料及結構跨尺度力學相關研究。她介紹，隨著人們對自然界認識的加深，對自然界中很多材料微觀結構的研究，往往能細化到納米量級?！斑@些納米線、薄膜或微結構（晶粒尺度）在納米量級的宏觀材料，其力學性能依賴于特征尺度，如納米晶金屬強度隨晶粒減小而增加，傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)理論無法刻畫。研究這種尺度-性能內(nèi)在關聯(lián)及表征方法即跨尺度力學”。

跨尺度力學作為研究前沿不僅具有重要科學意義，而且對先進材料設計及應用具有實際參考價值。采訪中，聽梁立紅教授娓娓道來，記者仿佛置身于一個浩渺無垠的微觀世界，跟隨她徜徉其中，開展一場“跨尺度”對話。

緣不知所起，一往而深

1981年，德國科學家格萊特首次提出了納米的概念。1984年，他把一些極其細微的金屬粉末用特殊方法壓制成一個小金屬塊，并對這個小金屬塊的內(nèi)部結構和性能做了詳細的研究。結果發(fā)現(xiàn)這種金屬竟然呈現(xiàn)出許多不可思議的特異金屬性能和內(nèi)部結構。格萊特把物質(zhì)碾成極小微粒再組合起來，實際上是把界面上的缺陷作為物質(zhì)主體的一部分，由微小顆粒壓制成的金屬塊是一種雙組元材料，有晶態(tài)組元和界面組元，界面組元占50%，在晶態(tài)組元中原子仍為原來的有序排列。而在界面組元中，界面存在大量缺陷，原子的排列順序發(fā)生變化，當把雙組元材料制到納米級時，這種特殊結構的物質(zhì)就構成了納米材料，由此開始了對納米材料及納米科學技術的研究。

通過研究，人們發(fā)現(xiàn)納米材料的熔點一般來說會比傳統(tǒng)材料有所降低。那么，降低多少？降低的機理是什么？這些人們迫切需要知道的答案，也是梁立紅最早的研究方向和目標。

正所謂，緣不知所起，一往而深。這項梁立紅從研究生期間就開展的工作，在此后的科研生涯中不斷深入，已經(jīng)伴隨她走過了20余年。2003年，梁立紅從吉林大學博士畢業(yè)后，在中科院物理所做博士后。兩年后，她又到新加坡國立大學工作，一直到2007年回國到中國科學院力學所工作，她都在與納米、力學有關的研究打交道。

實際上，固體的熱學性能和力學性能，如果基于微觀機制，都可以歸屬到晶格振動原理。而一般材料也都有它固有的導熱系數(shù)。但當放諸納米尺度時，呈現(xiàn)的復雜性就有了無限可能。

梁立紅很擅長用有趣的比喻講解理論性極強的知識。在給記者講述她的部分研究工作時，她這樣形容：“比如人們用的杯子，不銹鋼杯子里倒上熱水之后馬上就燙手了，因為不銹鋼導熱系數(shù)非常大；而陶瓷杯子就不會這樣，因為陶瓷的導熱系數(shù)非常小。各種材料的導熱系數(shù)一般是一個材料常數(shù)，可以通過手冊查到，但如果微結構是納米尺度的話，那么它的導熱系數(shù)就不再是材料手冊上能夠查到的常數(shù)了，它也具有了尺度效應。不僅如此，材料相應的其他性能也會發(fā)生改變。而對它改變的程度及機制進行表征，就是我曾研究的內(nèi)容?！?/p>

其實，這項在梁立紅的描述中十分有趣的工作，具體開展時卻很枯燥，需要科研工作者“耐得住寂寞”。它包括理論方面的研究，以及開展相應的實驗、模擬工作，最終揭示它的機理、刻畫它的行為。功夫不負有心人！梁立紅在納米尺度熱傳導、薄膜彈性模量及界面能的尺度效應等問題系統(tǒng)的研究中，取得了一系列成果；在納米材料相變熱力學的研究方面也成果頗豐，并榮獲了中國科學院王寬誠獎（2004）等。

“喜看稻菽千重浪”

對于力學學科來說，微納米力學、表界面力學等前沿研究，對引領學科方向發(fā)展，具有十分重大的科學意義。而從應用的角度來看，這項研究也大有裨益。

就拿“納米結構熱障涂層的損傷災變實驗及機理研究”項目來說，航空發(fā)動機的渦輪葉片、航天應用中的火焰筒、密封圈等零部件，服役環(huán)境溫度比較高，僅僅使用高溫合金材料仍然不能滿足服役環(huán)境，就需要在表面添加熱防護涂層。這種熱障涂層在機理方面非常復雜。一方面，陶瓷涂層的導熱系數(shù)越低或者涂層越厚越好，可以對內(nèi)部的金屬部件起到更好的熱保護作用；另一方面，涂層過厚除了要考慮成本因素，由于陶瓷涂層/金屬基底間的界面失配增加可能導致界面更易開裂，一旦涂層開裂剝離，失去涂層保護的基底合金在高溫下將很快失效，從而縮短了部件的力、熱耐受性及壽命。因此改善涂層和基底合金的性能以及兩者之間的粘結性能，研究涂層/基底體系在力、熱載荷下的損傷失效機制一直是力學家們關注的焦點問題之一。

“事實上，涂層的失效模式與材料成分、微結構、厚度、加載方式、服役環(huán)境等許多因素有關。那么這諸多因素可否歸一成某種統(tǒng)一的特征參量呢？如果建立一個統(tǒng)一的損傷模型，由其中的相關參量大小來反映不同的實際情況，并建立起關鍵參量的物理表征，將對跨尺度脆性損傷理論的發(fā)展具有重要意義?！绷毫⒓t介紹，根據(jù)微納米結構熱障涂層的應用背景提出的相關科學問題，對發(fā)展結合實驗的微納尺度的脆性涂層損傷理論提出了迫切要求，這也正是相關項目的目標。

研究過程中，梁立紅基于研究現(xiàn)狀和原有工作基礎，通過對微、納米結構不同厚度氧化鋯陶瓷涂層/鎳基合金基底樣品在彎曲及熱震載荷下的系統(tǒng)實驗研究及裂紋演化、損傷失效特征考察，結合不同控制變量的統(tǒng)一數(shù)學表達及災變損傷理論分析，定義新的損傷參量，并基于納米表界面熱力學等對損傷參量進行物理表征，來研究納米結構涂層的損傷失效規(guī)律及機制，以期建立有效的熱-力失效關聯(lián)。

針對先進涂層結構在航空、航天等領域關鍵部件（如發(fā)動機葉片、密封圈等）的應用背景，結合涂層/基底界面力學、涂層結構在力、熱載荷下?lián)p傷斷裂力學，以及涂層隔熱等跨尺度相關基礎科學問題展開研究，梁立紅取得系列成果：在固體力學核心期刊Int. J. Solid. Struct、涂層核心期刊Surf. Coat. Technol、計算核心期刊Comp. Mater. Sci.等國際期刊上共發(fā)表SCI論文近50篇，SCI他引800多次（近5年300余次）；失效相關界面能及熱傳導公式被中外科學家直接使用。

引用其論文的期刊覆蓋力學（如J.Mech.Phys.Solid.2016，99，321）、材料（如Advance.Mater.2017,29,01850）、化學（如Chemical Reviews 2014，114，9613）等多個領域，反映了梁立紅工作的基礎性、創(chuàng)新性；而其較早文章近年仍被較多引用，則反映了梁立紅工作的引領性、可持續(xù)性。

此外，梁立紅數(shù)次參加國際斷裂會（2017、2013）、國際計算會（2018、2014）、國際材料力學大會（2019）、中國力學大會、中國材料大會等，在薄膜、涂層及界面力學等相關分會作邀請報告或主持。如2017年6月國際斷裂會，主持微觀斷裂分會研討。還受邀為Journal of the American Ceramic Society、Acta Mechanica Solida Sinica、Engineering Fracture Mechanics、International Journal of Heat and Mass Transfer等多種SCI期刊審稿。

“我們搞基礎研究的把部件力學行為的物理機制搞清楚了，對于實際的應用設計和部件的服役都具有參考價值?！闭勂鸪晒毫⒓t很淡然，也很謙遜。但記者覺得，通過20余載的精耕細作，當面對用汗水澆灌出的一項項成果時，她想必也是“喜看稻菽千重浪”般的心境吧！

“九萬里風鵬正舉”

2019年7月，梁立紅離開工作多年的中國科學院力學研究所，加入北京化工大學機電學院，完成從科研機構到高校的轉(zhuǎn)型?！傲W是一個很特別的學科，很多工科領域都需要力學基礎。在中國科學院工作的時候，研究工作非常前沿、基礎，而在高校又與企業(yè)結合十分緊密，很注重應用。”梁立紅介紹，自己是通過學校的人才引進加入機電學院的，希望能夠在力學研究和學科建設方面貢獻自己的一份力量，為學院學校的發(fā)展壯大添磚加瓦。

近一年來，梁立紅開展了跨尺度力學實驗室建設，積極搭建固體力學測試平臺；組建了力學交叉團隊，與力學基礎教研室老師及其他新引進青年人才一起努力，希望力學切實起好工科基礎、理科應用的橋梁作用。與此同時，她還開設了“從趣味力學到工程力學”課程，以負責的航空航天等國家基金項目為驅(qū)動，培養(yǎng)學生力學研究興趣與素質(zhì)。梁立紅說，希望通過給同學們尤其是本科生普及力學知識，讓同學們能夠?qū)@個學科方向感興趣，將來在這個方向?qū)W以致用。

回顧多年的科研生涯，梁立紅很感謝不同階段的各位導師，他們性格各不相同。但無論是嚴苛的，還是和善的，她覺得都得到了非常大的幫助?！澳贻p氣盛時，大家也會因為研究觀點不同而發(fā)生爭執(zhí)，也會被老師批評。但問題只有越辯才能越明，現(xiàn)在回想起來，大家針對問題討論，老師毫不保留地賜教，那種學術氛圍是非常寶貴的”。

這種寶貴的學術氛圍以及學術精神，也通過梁立紅的傳道授業(yè)，實現(xiàn)了代際傳遞。如今，梁立紅常常對學生說，做科研不能想太多得失成敗，過程最重要?！拔也粡娗髮W生的專業(yè)基礎有多么強，其實大多數(shù)學生都是差不多的，但是我希望他能夠有愿意為科研奉獻的精神，必須得坐得住板凳、耐得住清苦，有極大的科研熱情”。

基礎科學研究往往一方面基于理論開展工作；另一方面需要做實驗證明結果的可靠性。有時要得到一個理想的實驗結果所經(jīng)歷的過程百轉(zhuǎn)千折。梁立紅說：“雖然我們會盡量讓實驗條件標準規(guī)范、嚴格統(tǒng)一，但是有時候測出來的結果往往仍然是不盡人意或不盡相同的。這時候，我也會鼓勵同學們不要灰心喪氣，要找問題，合理設計實驗，進行更科學地統(tǒng)計分析”。

其實，這么多年，不怕失敗，努力尋求問題所在、解決問題，不斷在科研道路上前行，梁立紅所依賴的也正是她所說的這種極大的科研熱情和奉獻精神。尤其作為女性科研工作者，當她選擇將更多的時間和精力投入科研工作的時候，必然在家庭方面感覺有所虧欠?！昂⒆訉W習課業(yè)任務也比較重，需要家長大力支持，我肯定支持的，但有時候確實付出得不夠。但是我想孩子也要獨立，人都是要靠自己，我們就做個榜樣吧！”

采訪結束時，梁立紅把對未來的期許用十分樸素的話總結為一句：“希望一起努力在‘十四五’期間多出一些創(chuàng)新成果吧！”漫步微觀世界，徜徉在“跨尺度”對話中，記者透過梁立紅的科研工作，看到的是“九萬里風鵬正舉”的景象。愿風休住，蓬舟吹取三山去！也愿浩渺的微觀世界越來越清晰！