漫步微觀世界的“跨尺度”對話

龐紅碩

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)介質理論無法刻畫。研究這種尺度-性能內在關聯(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部結構。格萊特把物質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。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非常大；而陶瓷杯子就不會這樣，因為陶瓷的導熱系數非常小。各種材料的導熱系數一般是一個材料常數，可以通過手冊查到，但如果微結構是納米尺度的話，那么它的導熱系數就不再是材料手冊上能夠查到的常數了，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越低或者涂層越厚越好，可以對內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。”談起成果，梁立紅很淡然，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動，培養(yǎng)學生力學研究興趣與素質。梁立紅說，希望通過給同學們尤其是本科生普及力學知識，讓同學們能夠對這個學科方向感興趣，將來在這個方向學以致用。

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。“年輕氣盛時，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。“我不強求學生的專業(yè)基礎有多么強，其實大多數學生都是差不多的，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歷的過程百轉千折。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。“孩子學習課業(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！