非晶合金世界里的追夢人——記北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳淵副教授

供稿|王輝，吳鈺重/ WANG Hui, WU Yu-chong

非晶合金又稱為金屬玻璃，它是在過冷條件下快速凝固而得到的一種具有類似液體結(jié)構(gòu)的合金。由于沒有晶體的微觀結(jié)構(gòu)，非晶合金顯示出優(yōu)異的強(qiáng)度、耐腐蝕和超塑性。這些突出的性能和其廣闊的應(yīng)用前景推動著非晶合金成為最近幾十年來國際材料學(xué)家爭向追逐的研究目標(biāo)之一，其中來自北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的吳淵副教授所取得的研究成果尤其引人矚目。

兒時的吳淵就對自然充滿了興趣，從小立志當(dāng)一名科學(xué)家。1997年，吳淵懷著對未來生活的憧憬考入北京科技大學(xué)材料學(xué)院鑄造專業(yè)。大學(xué)四年勤奮刻苦的學(xué)習(xí)給吳淵打下了扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，2001年因成績優(yōu)秀，他被保送北京科技大學(xué)攻讀碩士學(xué)位研究生，開始了自己人生的材料研究之路。三年的碩士研究生生活很快就過去了，臨近畢業(yè)之際，和很多同學(xué)一樣，吳淵也參加了國家公務(wù)員考試并取得了優(yōu)異的成績，向往的國家公務(wù)員崗位向他發(fā)出了聘用通知。面對這份待遇穩(wěn)定而優(yōu)厚的工作，吳淵總是放不下他心中的夢想，最終他還是選擇繼續(xù)留校攻讀博士學(xué)位研究生，做一名真正的材料追夢人。

愛因斯坦說過，成功等于艱苦的努力加上正確的方法。沒有比這句話更恰當(dāng)?shù)卦忈寘菧Y的博士研究生的歷程。讀博伊始，非晶合金已經(jīng)成為國際材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，特別是非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制涉及到物質(zhì)固液轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的科學(xué)本質(zhì)問題。2005年，著名的科學(xué)雜志(Science)將非晶合金的這一問題列入人類最需要解決的125個問題之一。它尤如材料王冠上的明珠，激發(fā)了吳淵對自己博士生階段研究成果的高期望。他很快選擇將非晶合金作為自己的研究方向，夜以繼日地工作起來。然而，通向科學(xué)高峰的路從來都不是平坦的。吳淵做課題十分努力，常常為完成一個實(shí)驗(yàn)過程而熬夜，可是轉(zhuǎn)眼到了博士研究生第三個年頭仍沒有得到理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。面對這樣的結(jié)果，吳淵非常沮喪，甚至一度對自己的研究能力產(chǎn)生了懷疑。而此時，剛剛回國的長江學(xué)者，國家杰出青年基金獲得者呂昭平教授為吳淵在研究中所展現(xiàn)的嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、熱情勤奮所打動，他決定來雕琢這塊學(xué)術(shù)璞玉，具體指導(dǎo)吳淵的研究。他首先幫助吳淵重新疏理分析了研究內(nèi)容，然后耐心地糾正他在科研上“蠻干”的做法，把精力集中在探究非晶合金力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)本質(zhì)上來，逐漸幫助吳淵重新找回追逐夢想的信心。兩年以后，在呂昭平教授的精心指導(dǎo)下，吳淵很快就在材料學(xué)報(Acta Materialia)、材料通報(Scripta Materialia)、應(yīng)用物理學(xué)報(Journal of Applied Physics)等國際著名學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文，連續(xù)報道了他對非晶合金微觀不均勻性與宏觀失效機(jī)制的新認(rèn)識。也就是這一年，吳淵完成了題為《多尺度下金屬玻璃變形行為研究》的博士論文，并被評為北京市優(yōu)秀博士學(xué)位論文，獲得全國百篇優(yōu)秀博士論文提名并留校工作。

圖1 吳淵博士實(shí)驗(yàn)室風(fēng)采

圖2 吳淵與課題組的研究生們探討研究內(nèi)容

一份耕耘就有一份收獲。多年的研究生活，培養(yǎng)了吳淵細(xì)致認(rèn)真，一絲不茍的科研態(tài)度，也激勵他加快在材料世界里追夢的腳步。在與呂昭平教授的學(xué)術(shù)探討中，吳淵對非晶合金有了更為深刻的認(rèn)識，非晶合金雖然具有傳統(tǒng)合金所不能比擬的強(qiáng)度等優(yōu)勢，但是由于缺乏有效的韌塑化機(jī)制而呈現(xiàn)出低韌性和高脆性，大大制約著非晶合金這種先進(jìn)材料應(yīng)用和發(fā)展。受到傳統(tǒng)合金中微納米尺度過冷奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而增強(qiáng)基體性能的啟發(fā)，吳淵和他所在的課題組提出在非晶合金中引入“形變誘導(dǎo)相變”效應(yīng)來改善非晶合金這一缺陷的設(shè)想。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)分析，經(jīng)歷過很多次失敗，終于在國際上首次獲得了具有大拉伸塑性和加工硬化能力的非晶合金復(fù)合材料，2010年，這一研究成果在國際著名材料期刊先進(jìn)材料(Advanced Materials)公開發(fā)表，在國際上引起了強(qiáng)烈反響。一位審稿人認(rèn)為這項(xiàng)成果“極為重要，是開發(fā)高性能非晶復(fù)合材料的重要進(jìn)展”；另一位審稿人的結(jié)論則認(rèn)為吳淵的研究結(jié)果是“對結(jié)構(gòu)材料的重要貢獻(xiàn)”。Nature出版集團(tuán)—亞洲材料(NPG-Asia Materials)將此研究成果評為研究熱點(diǎn)，認(rèn)為該進(jìn)展“為其他合金體系中開發(fā)大韌塑性非晶合金材料提供了一種新思路，并對非晶態(tài)合金材料的實(shí)際工程應(yīng)用起到極大的促進(jìn)作用”。另一權(quán)威期刊科學(xué)雜志(Science)則專文評述，對吳淵所取得研究成果不吝溢美之辭，認(rèn)為這“極大提升了非晶合金的潛在結(jié)構(gòu)應(yīng)用，并開辟了一個新的科學(xué)研究方向”。2012年著名國際學(xué)術(shù)評論刊物今日材料(Materials Today)在出版的綜述論文中認(rèn)為“該成果改變了非晶合金沒有拉伸加工硬化的現(xiàn)實(shí)，是非晶韌塑化的突破”。與此同時，吳淵的這篇論文也激起了學(xué)術(shù)界的極大興趣，短短幾年時間，該文被國際同行SCI他引超過150次。

吳淵的導(dǎo)師呂昭平教授說，“一個人不可能永遠(yuǎn)成功，也不可能永遠(yuǎn)失敗，年輕時的磨難是人生的一筆財(cái)富。”經(jīng)過研究的磨礪和不斷探索，吳淵也品嘗到了成功的喜悅，他再接再厲，終于在金屬材料領(lǐng)域嶄露頭角。2012年，吳淵和他所在的課題組提出了一種通過調(diào)控過冷奧氏體型晶相層錯能優(yōu)化非晶合金復(fù)合材料整體力學(xué)性能的方法，這一結(jié)果發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊物理評論快報(Physics Review Letters)上，為發(fā)展高性能非晶復(fù)合材料提出了一種實(shí)際的操作手段。更為深入的研究表明，非晶合金在微觀結(jié)構(gòu)上具有不均勻性，而傳統(tǒng)材料的宏觀力學(xué)并不適用于解釋非晶合金的這一微觀特征。通過深入理解非晶合金微觀結(jié)構(gòu)不均勻性和微區(qū)失穩(wěn)的基礎(chǔ)上，吳淵和他的課題組提出了一種能將非晶合金微區(qū)失穩(wěn)和宏觀拉伸行為定量聯(lián)系起來的變形模型。被審稿人認(rèn)為“提供了一種連接微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的橋梁和途徑，對理解非晶合金結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和塑性變形能力的關(guān)聯(lián)具有重要價值”。該研究進(jìn)展也很快得到了國際著名材料學(xué)家的肯定。美國工程院院士、中國工程院外籍院士C.T.Liu教授引用時特別強(qiáng)調(diào)這一研究結(jié)果“重要且令人信服”，美國加州理工學(xué)院J.R.Greer教授在與荷蘭皇家科學(xué)院院士De Hosson教授在共同署名發(fā)表在國際材料頂級期刊材料科學(xué)進(jìn)展(Progress in Materials Science)的一篇論文中大篇幅地引用了吳淵的論文結(jié)果，認(rèn)為“這一成果對理解脆性非晶合金變形行為具有重要意義”。

圖3 通過將“相變誘導(dǎo)塑性”概念引入到非晶合金復(fù)合材料中，獲得具有拉伸塑性和加工硬化能力的非晶合金復(fù)合材料(結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials)

圖4 合金化元素與被替代元素間電負(fù)性和原子尺寸差對奧氏體型析出相層錯能的影響(結(jié)果發(fā)表在Physical Review Letters)

在呂昭平教授的精心培養(yǎng)下，吳淵終于成為材料研究前沿的弄潮兒，他在向新的研究高峰邁進(jìn)，也越來越接近自己的夢想，同樣也引起了國際同行的關(guān)注。2013年，應(yīng)美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室邀請，吳淵來到這個國際著名的綜合性大型材料研究機(jī)構(gòu)與美方共同開展非晶和高熵合金的研究。2014年，他在應(yīng)用物理快報(Applied Physics Letters)發(fā)表了國際上率先采用散裂中子源的中子衍射技術(shù)對高熵合金變形行為的研究論文。

迄今為止，吳淵已經(jīng)在多個國際材料領(lǐng)域的頂級刊物上發(fā)表SCI論文50余篇，SCI引用近700次，他引600余次。應(yīng)邀在國際學(xué)術(shù)會議作報告9次，獲得發(fā)明專利授權(quán)11項(xiàng)，獲得教育部自然科學(xué)二等獎1次。他還是美國礦物冶金和材料學(xué)會會員，中國材料研究學(xué)會金屬間化合物與非晶合金分會委員，同時也是多個國際期刊的審稿人。2013年，吳淵入選首批北京市高校青年英才計(jì)劃。2014年，吳淵憑借過硬的實(shí)力成為被同行稱為“小杰青”的國家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金獲得者。2015年，經(jīng)過嚴(yán)格的評審，吳淵入選中共中央組織部萬人計(jì)劃“青年拔尖人才”支持計(jì)劃。目前，吳淵和他所在的課題組承擔(dān)著國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、重大國際合作項(xiàng)目和優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目等多個研究項(xiàng)目。

面對取得的累累碩果，吳淵總是不愿多談。他說：“選我所愛，愛我所選，我會在自己選擇的道路上一如既往地走下去，希望通過自己的努力在所處的領(lǐng)域有所作為?！边@就是吳淵，你可以感受到他那份強(qiáng)烈地執(zhí)著于科學(xué)研究的真誠和熱情。正是如此，才讓他成為非晶世界里的追夢人，他一步一個腳印，用辛勤的汗水構(gòu)筑著自己的理想之夢。