盧柯三十八歲當(dāng)選院士，將鋁合金熔點(diǎn)提高六十多攝氏度

“有幾年，納米金屬領(lǐng)域已死的說法非常流行。很多人認(rèn)為納米結(jié)構(gòu)在金屬中不穩(wěn)定，但盧柯院士始終不放棄，并取得了一定成果?！弊罱R柯團(tuán)隊(duì)發(fā)表了第15篇《科學(xué)》論文，其團(tuán)隊(duì)成員中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心李秀艷研究員表示，此次再發(fā)《科學(xué)》和盧院士在逆境中依然堅(jiān)定方向密不可分。

相關(guān)論文以《用Schwarz晶體結(jié)構(gòu)抑制過飽和Al-Mg合金中的原子擴(kuò)散》為題正式面世，該成果攻克了高溫下金屬中高原子擴(kuò)散率導(dǎo)致不穩(wěn)定性的難題。

相關(guān)論文

此次盧柯團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新結(jié)構(gòu)，攻克了高溫下金屬高原子擴(kuò)散率帶來的不穩(wěn)定性難題。李秀艷表示，高原子擴(kuò)散率是金屬的常見特征，高溫下的金屬結(jié)構(gòu)因此會(huì)變得不穩(wěn)定。

其表示，金屬通常以多晶體形式存在，內(nèi)部包含大量晶界面;由于晶界區(qū)原子往往呈雜亂無序的排列，使多晶體的穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于完整晶體（單晶體）。晶粒尺寸越小晶界原子比越大，多晶體的穩(wěn)定性就越低。

對(duì)于某些金屬合金，當(dāng)晶粒尺寸減小到足夠小時(shí)比如幾納米，整個(gè)多晶體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，形成一種亞穩(wěn)的非晶態(tài)固體。但通常非晶固態(tài)只在有限的合金成分范圍內(nèi)才能形成，所以材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域長(zhǎng)期以來存在一個(gè)重要的基礎(chǔ)性問題：在多晶體晶粒尺寸不斷減小、并接近某極限值如原子尺寸之前，是否還存在別的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)？

對(duì)于結(jié)構(gòu)相同而取向不同的晶粒之間的界面、也就是對(duì)于晶界來說，當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)的0.5倍以上，晶界上的擴(kuò)散就很明顯，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生晶界遷移、即晶界長(zhǎng)大的行為，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。而結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致金屬力學(xué)性能喪失，因此多晶體金屬在熔點(diǎn)0.5倍以上的溫度就很難使用。

對(duì)于該問題的解決，盧柯團(tuán)隊(duì)于2020年在《科學(xué)》發(fā)表了一篇論文，主要成果是在金屬中發(fā)現(xiàn)了一種新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，并將其命名為Schwarz crystal。

事實(shí)上，這是一個(gè)數(shù)學(xué)上的微分幾何概念，其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于里面有晶界，但是相比一般晶界，它會(huì)自動(dòng)演化成數(shù)學(xué)上的概念極小面（音），極小面的特征在于平均曲率是零，因此這時(shí)的晶界會(huì)處于很穩(wěn)定的狀態(tài)。

（a）受限晶體Cu形貌圖;（b）分子動(dòng)力學(xué)模擬受限晶體結(jié)構(gòu)圖：（c）呈現(xiàn)截角八面體特征的極小尺寸晶粒形貌及模擬對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)：（d）純Cu晶粒粗化溫度與強(qiáng)度隨晶粒尺寸的變化，受限晶體呈現(xiàn)出接近熔點(diǎn)的超高穩(wěn)定性和接近理想強(qiáng)度的高強(qiáng)度

該團(tuán)隊(duì)將納米晶體銅的晶粒尺寸細(xì)化到幾納米，它的晶界網(wǎng)絡(luò)可演化成極小面的結(jié)構(gòu)。一直加熱到接近熔點(diǎn)的溫度，晶界也沒有動(dòng)，相當(dāng)于它的結(jié)構(gòu)在熔點(diǎn)以下都保持著穩(wěn)定性，同時(shí)材料的強(qiáng)度也非常高。

而在本次成果中，抑制原子擴(kuò)散率是極小面晶界的又一個(gè)效應(yīng)，這種效應(yīng)和之前發(fā)現(xiàn)的高穩(wěn)定以及高強(qiáng)度一脈相承，但這次展現(xiàn)的是在合金中的效應(yīng)。也就是說，該團(tuán)隊(duì)演示了晶界的極小面結(jié)構(gòu)，并且在合金等其他材料中也可以制備出來，這說明Schwarz crystal結(jié)構(gòu)具有廣泛存在的特征。

普通晶界是無序的，所以它的原子可動(dòng)性強(qiáng)，但是極小面晶界因?yàn)橐３制胶馇蕿榱?，所以它的原子受幾何約束，運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生了改變。

將鋁合金的熔點(diǎn)提高60攝氏度左右

談及潛在應(yīng)用，李秀艷表示，舉例來說發(fā)動(dòng)機(jī)要用高溫合金，因此大家都希望它的使用溫度越高越好。以變形高溫合金為例，它們使用的溫度相對(duì)較低，一般達(dá)到750攝氏度就難以工作。如果把晶界網(wǎng)絡(luò)做成極小面，晶界穩(wěn)定性、力學(xué)性能以及使用溫度都會(huì)大幅提高。

再以鋁合金為例，鋁的熔點(diǎn)比較低，因此鋁合金的使用溫度也比較低，目前一般不超過250攝氏度，因此本身就很難通過塑性變形做成納米尺度的合金。

而在該研究中，利用自研的制備方法獲得了鋁合金Schwarz crystal，既能抑制鋁原子穿過晶界的擴(kuò)散，還能提高鋁合金的使用溫度，甚至合金的熔化都被抑制了，在此次報(bào)道的Al-Mg合金中，熔點(diǎn)提高了60多攝氏度。而對(duì)于一般合金的熔化，很難通過其他方式來抑制。

雖然他們已經(jīng)制備出來了納米尺寸的鋁合金樣品。但是要想應(yīng)用在工業(yè)上，首先面臨的問題是如何把樣品做大。

仍存在待挖掘的奇特性質(zhì)

該團(tuán)隊(duì)表示，極小面上原子可被抑制的特性，暗示著原子在振動(dòng)上存在特殊性，而這可能和它的導(dǎo)熱能力以及原子振動(dòng)相關(guān)，因此他們計(jì)劃將來進(jìn)一步挖掘。

而之所以再次登上《科學(xué)》，其一是因?yàn)橐种圃訑U(kuò)散這一性能引起了審稿人的極大興趣;其二這本身也是2020年該課題組的《科學(xué)》論文的延續(xù)，展示了Schwarz crystal的廣泛性和普適性。

不過所有科研成果都并非一蹴而就，一開始該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Al-Mg合金中的析出相和晶粒長(zhǎng)大被抑制住，還好理解。但當(dāng)合金的熔點(diǎn)提升時(shí)，并且一下子提升了60多攝氏度，這讓他們一度懷疑實(shí)驗(yàn)結(jié)果有誤。

后來又反復(fù)做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原來是擴(kuò)散的問題。李秀艷表示，盧柯院士經(jīng)常對(duì)團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)自己的成果很顛覆，那一定要反復(fù)做實(shí)驗(yàn)檢查其可重復(fù)性。

概括來說，該團(tuán)隊(duì)利用大量精細(xì)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶粒尺寸降低到幾納米時(shí)，純金屬銅多晶體會(huì)形成一種新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)——Schwarz crystal（受限晶體）結(jié)構(gòu)。采用兩步低溫塑性變形技術(shù)，成功將純銅晶粒尺寸降低至10nm以下;結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察和分子動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)這種極細(xì)晶粒之間的界面具有一種極小界面結(jié)構(gòu)特征，被稱為Schwarz-D界面，其平均曲率為零，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很強(qiáng)。

同時(shí)，晶粒中大量低能孿晶界又進(jìn)一步約束了這種極小界面，使其穩(wěn)定性更高。因此，這種具有孿晶限制的極小界面結(jié)構(gòu)的多晶體能表現(xiàn)出極高的熱穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性。

此次受限晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，為探索固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本特征及其新性能開辟了一個(gè)全新空間，也為研發(fā)高穩(wěn)定性金屬材料及制造工藝提供新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)。

盧柯參加學(xué)術(shù)交流

李秀艷

另據(jù)悉，盧柯今年56歲，目前是中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心主任?；仡欉^往，三十多年來盧柯成績(jī)不斷，并一直聚焦在納米金屬，梯度結(jié)構(gòu)和納米孿晶都是其代表性成果。他不盲目追趕熱點(diǎn)研究，但遇到重要的科學(xué)問題也會(huì)非常重視。也從不急于求成，而是帶著耐心做長(zhǎng)線布局。

從1990年1月博士畢業(yè)后留在中科院金屬研究所，盧柯在這里已經(jīng)工作31年。李秀艷表示，中科院金屬所成立于20世紀(jì)50年代，首任所長(zhǎng)是李薰院士，當(dāng)時(shí)在北京和沈陽兩個(gè)選址地點(diǎn)中，選擇了沈陽。

沈陽至今都是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的重工業(yè)基地，這里也有鞍鋼、本鋼等鋼鐵巨頭，此外沈陽的材料業(yè)、裝備制造業(yè)也很出色。建所幾十年間，科學(xué)家們的研究也和當(dāng)?shù)匕l(fā)展緊密結(jié)合。

關(guān)于此盧柯曾告訴媒體：“對(duì)遼寧來說，全省工業(yè)增加值的2/3來自與材料關(guān)系密切的裝備制造、冶金、化工三大行業(yè)。我們要促進(jìn)原創(chuàng)，要補(bǔ)基礎(chǔ)，從整個(gè)科學(xué)基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)補(bǔ)起，從根上抓起，努力把沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心建成世界級(jí)高水平的研究平臺(tái)?！保ňC合整理報(bào)道）（編輯/萊西）