喬珺威：叩開非晶合金研究的大門

劉玉杰

專家簡介：

喬珺威，太原理工大學材料科學與工程學院教授、博士生導師，中國材料研究學會理事，山西省學術技術帶頭人，山西省青年拔尖人才，山西省優秀青年學術帶頭人。2005年畢業于石家莊鐵道大學（原軍校），2011年獲得北京科技大學材料科學與工程專業博士學位。2009?2010年，作為聯合培養博士在美國田納西大學學習。

曾參與國家“863”計劃等多個項目，主持國家自然科學基金、人社部擇優資助、山西省自然科學基金等項目。曾獲2010年教育部高校自然科學獎二等獎、2014年山西省自然科學獎二等獎，應邀在山西省重點實驗室聯盟青年科學論壇（交叉學科）作專題報告，2014年獲得《Who's Who in the World》知名科學家提名。

在許多科技論壇中流行著這樣一句話：對于碩士生來說至少應該精讀50篇文獻，泛讀100篇文獻；而博士生至少應該精讀500篇文獻，泛讀1000篇文獻。要問擁有博士學歷的喬珺威讀過多少篇文章，他只能說多到自己也記不清了。無數的文獻積累，激發喬珺威在非晶合金力學性能領域，不斷尋覓創新與靈感，因此獲得的成果也屢受國內外同行的高度關注。

專注非晶塑性

從20世紀80年代起，非晶合金成為國內外材料科學界的研究開發重點。所謂的“非晶合金”，就是由超急冷凝固得到的固態合金，長程無序結構，沒有晶態合金的晶粒、晶界存在。但目前，絕大多數單相塊體非晶在室溫下表現為脆性斷裂，即具有極低的壓縮塑性，拉伸塑性基本為零。承載時，大塊非晶通常在屈服后發生災難性斷裂，限制了其工程應用。究其原因，是非晶屈服后，剪切帶快速擴展而引發剪切層內的絕熱剪切，極短時間內溫度急劇上升，致使剪切軟化而迅速斷裂。要想解決這一問題，可以通過在非晶基體內引入塑性第二相提高非晶合金的室溫塑性，因為塑性第二相可以阻礙和延遲剪切帶的擴展。

喬珺威則成功通過Bridgman型定向凝固技術獲得了第二相增韌的非晶復合材料，對比目前其他制備非晶復合材料的手段，該技術可以控制第二相的尺寸大小和體積分數，通過合理調節抽拉速度以獲得具有室溫拉伸塑性的枝晶增韌的鋯基非晶復合材料，斷后延伸率超過了7%。該成果發表在Applied Physics Letters 94， 151905 （2009）上，研究成果得到了美國加州理工學院W.L. Johnson院士課題組和美國田納西大學T.G. Nieh教授的高度關注，并被多次引用和報道。

他所使用的定向凝固技術相比其他常見的快速凝固技術優勢突出，不僅可以調控組織，還可以優化力學性能，被國際同行J. Eckert、J.R. Greer、D.C. Hofmann等研究人員發表在Nano Letters等國際知名期刊上的論文引用，認為該技術是調控和制備均質非晶復合材料最有效的方法之一。

在此基礎上，喬珺威進一步獲得了具有室溫塑性的輕質鈦基非晶復合材料。另外，他和美國芝加哥阿貢實驗室合作，通過高能X射線研究枝晶增韌的非晶復合材料，將兩相結構進行解析分別得到了兩相的衍射圖譜，利用半峰寬來表征屈服后不同的變形程度。成果發表在Applied Physics Letters 97， 171910 （2010）上，后被焦點新聞網作為新聞給予報道。隨后，Huang等人基于該方法提出了非晶復合材料原位變形機理。

非晶材料變形機制一探到底

隨著對非晶復合材料原位變形機理研究的步步深入，喬珺威意識到，過去對于非晶復合材料的變形機制主要基于對剪切帶數量的簡單觀測，剪切帶越多，塑性越好，但變形的微觀機制還不清楚。敏銳地覺察到問題的他立刻投入探究。通過大量研究，他發現，枝晶增韌的非晶復合材料的壓縮變形機制，是枝晶內部和兩相邊界處的局域非晶化、嚴重的晶格畸變和大量的位錯塞積，以使得復合材料展現宏觀的塑性變形和加工硬化的原因。

該成果發表在Scripta Materialia 61， 1087 （2009）上。這是該領域第一篇對室溫下具有較大塑性變形的非晶復合材料通過透射電鏡進行機理研究的論文。緊接著，喬珺威進一步研究發現，拉伸屈服后的復合材料的變形以枝晶的碎化為變形結構，枝晶內部被剪切帶和位錯墻分割成細小的亞晶。最后他總結出，枝晶具有大的塑性變形和非晶基體具有高的屈服強度是復合材料獲得大的加工硬化的兩個必要條件。殊不知，成果在Acta Materialia 59， 4126 （2011）發表后，一度成為該期刊下載次數最多的十大文章之一，目前已經被引用100次。

兩年后，喬珺威的研究再邁上一個階梯，與臺灣國立中央大學E.W. Huang等人合作提出了樹枝晶Core-Shell結構對屈服變形的響應機理，論文發表在Scientific Reports 4， 4394 （2014）上，在科學網上點擊率超過6000次。

科研無止境，為進一步證實“樹枝晶發生了碎化來承擔塑性應變，非晶基體并沒有發生晶化，只是起到了協調變形的作用”，喬珺威采用高能X射線技術直接穿透塊體樣品，獲得變形前后結構的體信息，即三維結構信息。實驗證明，室溫下的拉伸變形不會導致明顯的溫度變化，也就不會引起晶粒尺寸發生變化。因此，晶粒的細化完全是由于變形導致亞晶的產生，而高能同步輻射技術的應用研究也進一步證實樹枝晶發生了碎化。

到2015年，喬珺威對于非晶復合材料力學性能的優化與變形機理的研究接近有10年的時間了，他榮幸應Materials Science & Engineering Reports國際綜述性期刊雜志邀請撰寫了Metallic Glass Matrix Composites長篇綜述。在論文中，喬珺威總括了非晶復合材料近20年來的發展及展望。這無疑是可以載入非晶材料史冊的一文，意義不言而喻。

多面剖析非晶材料

然而，結構材料在服役過程中并不總是在靜載荷或恒溫下，因此有必要對具有工程應用前景的內生非晶基復合材料進行在極端溫度（例如液氮）及動載荷條件下的力學行為研究。經過計算，10 nm厚的剪切帶形成只需要2ns，而非晶變形過程中的剪切轉變區不連續形成的間隔時間約200ns，如果200ns內溫升達到0.7倍的玻璃轉變溫度，黏性層就會形成。而在200ns的間隔時間內，最高溫升也不超過100K。“因此在液氮溫度下避免了黏性層的低粘度，在塑性變形過程中不會發生應力的突升或者突降，即鋸齒消失”，喬珺威解釋道。

該模型被英國劍橋大學材料系Greer教授在其綜述性論文Shear bands in metallic glasses中引用。在此基礎上，喬珺威又與美國UIUC物理系Dahmen教授提出采用平均場理論來表征非晶中雪崩式鋸齒的可調性，發表在Scientific Reports 4， 4382 （2014）。

結束了溫度變量下的研究，喬珺威將目光轉向動載荷條件下非晶基復合材料的力學行為變化。在動態加載時，即使是準靜態下具有較好塑性的復合材料仍然發生了脆性斷裂，其主要原因是位錯增殖的速率趕不上應變發生的速率。經過數年的持續探索，喬珺威通過合理調控第二相組織，得到組織粗大且枝晶體積分數高達58%的輕質鈦基非晶復合材料，此種復合材料在動態沖擊時表現為宏觀的塑性變形。值得自豪的是，他們是國內外首個得到內生非晶復合材料具有沖擊韌性的科研小組，同時“非晶復合材料動態沖擊”入圍了2014年度非晶材料十大進展基礎研究候選名單。

此外，喬珺威還采用J-C方程擬合了非晶復合材料在動態沖擊時的本構關系，為其預測流變強度提供了理論保障。“這一重要發現否定了內生枝晶非晶基復合材料在高應變速率下無塑性的普遍認識，使我們進一步看到該類型復合材料作為工程結構材料的應用前景。”他興奮地說著。

曾有人這樣評價喬珺威：勤奮努力是他的座右銘，認真的工作態度是他一貫秉持的信條，親切待人是他不變的態度。如今的喬珺威能獲得如此建樹，絕對不是偶然，背后勾連出的是他的艱苦卓絕與孜孜不倦。他說過，勤奮努力是邁向成功的敲門磚。

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