堅忍不拔，探索固體內(nèi)部的微觀過程

方前鋒

2021年4月22日，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院葛庭燧極限特性材料攻關(guān)突擊隊正式成立。儀式上，平均年齡34歲的11名青年科研攻關(guān)突擊隊員在隊旗前莊嚴宣誓：“傳承以葛庭燧院士為代表的老科學家精神，以極限特性材料攻關(guān)為使命……聽從黨的召喚，弘揚新時代科學家精神……”。突擊隊將致力于“0到1”的突破，為實現(xiàn)科技自立自強貢獻力量，圍繞國家重大戰(zhàn)略需求，瞄準材料領(lǐng)域“卡脖子”問題，深入研究極限條件下材料的服役性能，突破關(guān)鍵核心材料研制。

內(nèi) 耗

材料的內(nèi)耗在數(shù)值上定義為材料在振動過程中單位弧度內(nèi)損耗的機械能與最大彈性儲能之比。振動著的固體即使與外界完全隔絕，其機械振動能也會逐漸衰減下來，這種由于材料內(nèi)部原因而引起的機械能量損耗稱為內(nèi)耗。內(nèi)耗學是凝聚態(tài)物理與材料科學的交叉學科，同時也是研究固體缺陷與力學性質(zhì)的一種重要的實驗技術(shù)，它能夠很靈敏地反映固體中點缺陷、位錯、界面等的存在及其運動變化和相互作用情況，從而能夠獲得材料中各種微觀過程的定性和定量信息。因為機械振動能的耗散是通過內(nèi)部機制來完成的，所以材料的這種性質(zhì)強烈地依賴于材料的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷，同時也與外部環(huán)境的物理參量密切相關(guān)。當把內(nèi)耗表示成溫度、頻率、應力振幅、外加電場或磁場等外部參量的函數(shù)時，將得到一系列分立的或連續(xù)的譜，稱之為內(nèi)耗譜（或力學譜）。探索新譜線并研究這些譜線產(chǎn)生的機制，可以得到對應微觀過程的物理參數(shù)，是內(nèi)耗與力學譜這門學科的主要研究內(nèi)容之一。

傳統(tǒng)的微結(jié)構(gòu)表征方法（如X射線衍射、正電子湮滅技術(shù)和電子顯微技術(shù)等）獲得的是材料微結(jié)構(gòu)的靜態(tài)信息，而且有時需要破壞試樣的狀態(tài)。要得到微結(jié)構(gòu)變化過程的信息，特別是缺陷弛豫過程的動力學參數(shù)，譜學技術(shù)（如光譜、介電譜、內(nèi)耗譜等）是非常行之有效的方法。它們的特征都是以一定頻率的交變信號去刺激樣品，測量其反應信號。當外加頻率與樣品中結(jié)構(gòu)弛豫的本征頻率相近時，反應信號將會出現(xiàn)極大值，得到一條譜線。由于其高頻率特性，通常的光譜只能探測到電子躍遷和晶格本征振動等快速過程，而不能探測到點缺陷、位錯和晶界等固體缺陷的慢躍遷過程（根據(jù)溫度的不同，這些慢躍遷過程的本征頻率一般在千赫及以下）。內(nèi)耗譜的測量頻率范圍千赫至微赫，完全覆蓋了缺陷慢躍遷過程（如點缺陷在相鄰平衡位置間的躍遷過程）的本征頻率范圍，而且所加的刺激信號為交變應力，反應信號為應變，所以適用于任何能夠傳播彈性應力波的物體，測量內(nèi)耗譜被證明是研究缺陷弛豫過程和微結(jié)構(gòu)變化的最有效手段之一。

葛 氏 扭 擺

在“葛氏扭擺”發(fā)明以前，金屬內(nèi)耗的測量手段主要采用超聲衰減和聲頻共振方法，所使用的交變應力頻率在千赫至兆赫。這么高的測量頻率使得大多數(shù)內(nèi)耗現(xiàn)象只能出現(xiàn)在很高的溫度，不容易被探測到。1945年，葛庭燧創(chuàng)造性地將在大學物理實驗時所學到的測量桿狀金屬試樣切變模量所用扭轉(zhuǎn)振動裝置的原理應用到內(nèi)耗測量上，設計和研制出能夠滿足測量內(nèi)耗要求的低頻扭擺內(nèi)耗儀（頻率范圍為0.1～10 赫）。這個裝置可以很方便地測量低頻內(nèi)耗和動態(tài)彈性模量，以作為溫度的函數(shù)，從而能夠很方便地測出眾多物理化學過程相關(guān)的激活能，使內(nèi)耗和動態(tài)彈性模量的宏觀測量能夠提供試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。這在內(nèi)耗測量技術(shù)上是一個重要的創(chuàng)新，該成果在1947年發(fā)表以后，國際同行紛紛按照這個設計建立了類似裝置，大大促進了內(nèi)耗研究的發(fā)展。1957年，英國麥克倫教授（D. McLean）在他的名著《金屬的晶界》中特辟1章介紹葛庭燧所提出的測量方法，并稱他是把扭擺和扭動裝置融為一體的第一人，該裝置被命名為葛氏扭轉(zhuǎn)裝置。

隨后，葛庭燧用葛氏扭擺發(fā)現(xiàn)了晶界內(nèi)耗峰。當振動頻率為0.8赫時，多晶鋁的內(nèi)耗在285攝氏度達到最大值，高度為0.09。對于單晶試樣來說，在整個測量溫度的范圍內(nèi)，內(nèi)耗都很低且隨溫度單調(diào)上升。這個內(nèi)耗峰只在多晶體中出現(xiàn)，在單晶體中不出現(xiàn)，說明它與晶界在外加應力作用下的運動有關(guān)。它不但在多晶鋁中出現(xiàn)，也在多晶鎂中出現(xiàn)，因而是一種普遍現(xiàn)象。一系列的實驗結(jié)果證明晶界具有黏滯性質(zhì)，并且通過晶界內(nèi)耗峰的激活能推算出晶界黏滯系數(shù)隨溫度變化的數(shù)學表達式。把算出的黏滯系數(shù)外推到鋁的熔點溫度時，與關(guān)于鋁晶體在熔點溫度的實驗值相同。所得到的晶界黏滯滑動弛豫強度之值與甄納教授 （C. Zener）關(guān)于滯彈性的理論所得到的計算值相同。葛庭燧的工作發(fā)表在《物理評論》（Physical Review）1947年4月刊上，1948年甄納出版了經(jīng)典名著《金屬的彈性和滯彈性》，就引用了他的工作。可以說，關(guān)于鋁的晶界內(nèi)耗峰的工作奠定了滯彈性內(nèi)耗理論的實驗基礎(chǔ)。這是唯一能夠把晶界本身的性質(zhì)與晶界對于試樣所發(fā)生的影響兩者截然分開的定量工作，而晶界內(nèi)耗峰也被國際學術(shù)界稱為“Kê peak”（葛氏峰）。根據(jù)晶界黏滯滑動具有激活能并與原子擴散過程有關(guān)的事實，葛庭燧認為引起晶界黏滯滑動的因素是分離的具有某種局部結(jié)構(gòu)的一些缺陷單元，并提出了大角晶界的“無序原子群”模型，即晶界是由許多無序原子群組成的，在每個群里總有幾個原子之間比較松動一些，從而在這幾個原子周圍的應力分布與其他地方不同，在切應力和熱激活的作用下它們能夠擠開周圍的原子而發(fā)生相對滑動。

非線性內(nèi)耗研究

內(nèi)耗現(xiàn)象根據(jù)其是否與應變振幅有關(guān)而分為線性的和非線性的，大多數(shù)內(nèi)耗現(xiàn)象是線性的，即與應變振幅無關(guān)。非線性滯彈性是葛庭燧在總結(jié)了大量實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上提出來的一個新概念，用來表征固體材料的這樣一種性質(zhì)，即在很低的應力振幅下（小于10-5G，G為切變模量），弛豫型的內(nèi)耗也表現(xiàn)出振幅效應。它所反映的實際上是在低應力振幅下，動態(tài)應力與應變的非線性關(guān)系。非線性滯彈性內(nèi)耗的特點是既出現(xiàn)溫度內(nèi)耗峰（當內(nèi)耗作為溫度的函數(shù)時），同時又在溫度內(nèi)耗峰出現(xiàn)的溫度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)振幅內(nèi)耗峰（當內(nèi)耗作為振幅的函數(shù)時），且溫度內(nèi)耗峰隨著頻率的降低而向低溫移動，表現(xiàn)出弛豫的性質(zhì)。經(jīng)過幾十年來在鋁—鎂（AlMg）、鋁—銅（Al-Cu）合金中的大量工作，發(fā)現(xiàn)了與溶質(zhì)原子和位錯（彎結(jié)）交互作用有關(guān)的7個溫度內(nèi)耗峰，奠定了非線性滯彈性這門新學科的實驗基礎(chǔ)。

葛庭燧從事非線性滯彈性內(nèi)耗研究是一個艱苦的研究過程，這個過程大致可以分為三個階段。

發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象（1948—1949年）

葛庭燧回國前在美國的最后2年。繼發(fā)明葛氏扭擺和發(fā)現(xiàn)葛氏峰之后，葛庭燧又發(fā)現(xiàn)了一種新現(xiàn)象。他在冷加工的鋁—銅（Al-0.5wt%Cu）合金中，在室溫附近觀察到了非線性滯彈性現(xiàn)象。因為Cu 在Al中的固溶度很低，在Al-0.5wt%Cu合金中很容易出現(xiàn)沉淀過程，因此他把非線性滯彈性現(xiàn)象直觀地解釋為與沉淀過程有關(guān)。但后來的研究證明，這個最初的解釋是錯誤的。這說明，對現(xiàn)象本質(zhì)的認識，不能只憑直覺，而必須經(jīng)過嚴格的論證和分析。

認清機理（1952—1966年）

1952年，葛庭燧在沈陽金屬研究所建立了中華人民共和國成立后的第一個內(nèi)耗實驗室，繼續(xù)對非線性滯彈性現(xiàn)象進行深入研究。除了重復Al-Cu合金中的現(xiàn)象外，還在Al-Mg合金中觀察到了類似的現(xiàn)象。由于Al-Mg合金中不存在沉淀過程，再加上在完全退火的試樣中以及高純Al中沒有看到此現(xiàn)象，葛庭燧科研小組逐步認識到，非線性滯彈性現(xiàn)象應該與位錯和溶質(zhì)原子的交互作用有關(guān)。進一步的分析研究表明，所牽涉的位錯運動應該是通過彎結(jié)沿位錯線的側(cè)向運動來實現(xiàn)的，而溶質(zhì)原子的擴散是在位錯芯區(qū)的管道擴散，從而提出了位錯彎結(jié)—溶質(zhì)原子芯氣團模型，準確揭示了該現(xiàn)象的物理本質(zhì)。

創(chuàng)建理論（1980—2000年）

1980年，葛庭燧從沈陽來到合肥，建立了中國科學院固體物理研究所內(nèi)耗與固體缺陷重點實驗室，進一步從事非線性滯彈性現(xiàn)象的實驗和理論研究。在此期間，他和研究生們發(fā)現(xiàn)了位于室溫附近的非線性滯彈性內(nèi)耗峰由兩個子峰組成，并分別對應于溶質(zhì)原子在位錯芯區(qū)的橫向（垂直于位錯線）和縱向（平行于位錯線）的擴散過程。他們先后在低于室溫和高于室溫的溫度范圍，發(fā)現(xiàn)并系統(tǒng)研究了5個與位錯和溶質(zhì)原子的不同組態(tài)有關(guān)的內(nèi)耗峰，完整地勾畫出了位錯與溶質(zhì)原子交互作用相對應的內(nèi)耗譜。他們構(gòu)造了溶質(zhì)原子在位錯芯區(qū)的擴散方程，并通過解析和數(shù)值方法計算出了內(nèi)耗曲線，這些曲線與非線性滯彈性現(xiàn)象的實驗結(jié)果一致，從而初步建立了非線性滯彈性的理論框架。非線性滯彈性的實驗發(fā)現(xiàn)和理論建立，不但為內(nèi)耗學科開辟了新的研究領(lǐng)域，而且使人們可以通過實驗直接測量出溶質(zhì)原子在位錯芯區(qū)的擴散激活能，而這種科學數(shù)據(jù)是通過別的方法很難得到的。

經(jīng)過堅持不懈的努力，葛庭燧科研小組從發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，開始建立模型，逐步深化認識，到最終在系統(tǒng)研究非線性滯彈性實驗現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了較完整的理論體系，成果先后獲得了國家自然科學獎三等獎和中國科學院自然科學獎一等獎。這期間，曾有過久無進展的茫然，也有過不被理解的苦惱和坐冷板凳的孤獨，但從未有過放棄繼續(xù)深入研究的念頭，幾經(jīng)周折，終于走出困境。我們年輕科技人員應當繼承和踐行老一輩科學家“持之以恒、鍥而不舍”的科學精神，為實現(xiàn)“中國夢”貢獻我們的力量。

學 科 展 望

根據(jù)內(nèi)耗與力學譜這門學科的自身發(fā)展需要，必須進一步開拓內(nèi)耗測量新技術(shù)（如納微尺度試樣內(nèi)耗測量技術(shù)等）和深入研究內(nèi)耗新機理（如耦合弛豫機理等）。此外，還必須充分利用內(nèi)耗技術(shù)簡單、方便和靈敏的特點，將內(nèi)耗技術(shù)應用于凝聚態(tài)物理和材料科學的相關(guān)研究中，提供其他實驗手段不易得到的有用信息。在應用于凝聚態(tài)物理研究方面，內(nèi)耗技術(shù)可以研究相應的物理過程或物理量變化，并得到定量的信息，例如固溶體（固溶度）、擴散（系數(shù)）、熱激活參數(shù)、相變、缺陷狀態(tài)與弛豫行為（點缺陷弛豫、位錯弛豫、晶界弛豫）等。在應用于材料科學研究方面，內(nèi)耗技術(shù)可以設計新型高阻尼材料，研究阻尼機理，研究新型功能材料（如高溫超導材料、巨磁電阻材料、離子導體、鐵電壓電材料、一維納米材料等）的缺陷弛豫和相變動力學，并可以解決生產(chǎn)實際中的問題（如低碳鋼中固溶碳含量測定、晶界偏析成分測定等）。

中國科學院固體物理研究所一直堅持內(nèi)耗與固體缺陷的研究方向。2021年，科研團隊在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，用內(nèi)耗的方法揭示出了一系列新型功能材料的缺陷行為，為材料設計和性能優(yōu)化以及壽命評估提供了理論指導；在應用研究方面，研制出了“高性能阻尼器”，已作為結(jié)構(gòu)/功能一體化重要關(guān)鍵構(gòu)件應用于各種型號高分（高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率）衛(wèi)星中，特別是助力2019年發(fā)射的“高分七號衛(wèi)星”，實現(xiàn)了亞米級高分辨率立體測繪。相信年輕的“葛庭燧極限特性材料攻關(guān)突擊隊”的隊員們也必將在未來取得新的成績。

關(guān)鍵詞：葛庭燧 內(nèi)耗 葛氏扭擺 葛氏峰 非線性滯彈性 ■