喬珺威：叩開非晶合金研究的大門

本刊記者　劉玉杰

喬珺威：叩開非晶合金研究的大門

本刊記者劉玉杰

專家簡介：

喬珺威，太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，中國材料研究學(xué)會(huì)理事，山西省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，山西省青年拔尖人才，山西省優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人。2005年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué)（原軍校），2011年獲得北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)博士學(xué)位。2009～2010年，作為聯(lián)合培養(yǎng)博士在美國田納西大學(xué)學(xué)習(xí)。

曾參與國家“863”計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目，主持國家自然科學(xué)基金、人社部擇優(yōu)資助、山西省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。曾獲2010年教育部高校自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、2014年山西省自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，應(yīng)邀在山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟青年科學(xué)論壇（交叉學(xué)科）作專題報(bào)告，2014年獲得《Who's Who in the World》知名科學(xué)家提名。

在許多科技論壇中流行著這樣一句話：對(duì)于碩士生來說至少應(yīng)該精讀50篇文獻(xiàn)，泛讀100篇文獻(xiàn)；而博士生至少應(yīng)該精讀500篇文獻(xiàn)，泛讀1000篇文獻(xiàn)。要問擁有博士學(xué)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(shù)的文獻(xiàn)積累，激發(fā)喬珺威在非晶合金力學(xué)性能領(lǐng)域，不斷尋覓創(chuàng)新與靈感，因此獲得的成果也屢受國內(nèi)外同行的高度關(guān)注。

專注非晶塑性

從20世紀(jì)80年代起，非晶合金成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。所謂的“非晶合金”，就是由超急冷凝固得到的固態(tài)合金，長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在。但目前，絕大多數(shù)單相塊體非晶在室溫下表現(xiàn)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(shí)，大塊非晶通常在屈服后發(fā)生災(zāi)難性斷裂，限制了其工程應(yīng)用。究其原因，是非晶屈服后，剪切帶快速擴(kuò)展而引發(fā)剪切層內(nèi)的絕熱剪切，極短時(shí)間內(nèi)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(nèi)引入塑性第二相提高非晶合金的室溫塑性，因?yàn)樗苄缘诙嗫梢宰璧K和延遲剪切帶的擴(kuò)展。

喬珺威則成功通過Bridgman型定向凝固技術(shù)獲得了第二相增韌的非晶復(fù)合材料，對(duì)比目前其他制備非晶復(fù)合材料的手段，該技術(shù)可以控制第二相的尺寸大小和體積分?jǐn)?shù)，通過合理調(diào)節(jié)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(fù)合材料，斷后延伸率超過了7%。該成果發(fā)表在Applied Physics Letters 94, 151905 (2009)上，研究成果得到了美國加州理工學(xué)院W.L. Johnson院士課題組和美國田納西大學(xué)T.G. Nieh教授的高度關(guān)注，并被多次引用和報(bào)道。

他所使用的定向凝固技術(shù)相比其他常見的快速凝固技術(shù)優(yōu)勢突出，不僅可以調(diào)控組織，還可以優(yōu)化力學(xué)性能，被國際同行J. Eckert、J.R. Greer、D.C. Hofmann等研究人員發(fā)表在Nano Letters等國際知名期刊上的論文引用，認(rèn)為該技術(shù)是調(diào)控和制備均質(zhì)非晶復(fù)合材料最有效的方法之一。

在此基礎(chǔ)上，喬珺威進(jìn)一步獲得了具有室溫塑性的輕質(zhì)鈦基非晶復(fù)合材料。另外，他和美國芝加哥阿貢實(shí)驗(yàn)室合作，通過高能X射線研究枝晶增韌的非晶復(fù)合材料，將兩相結(jié)構(gòu)進(jìn)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(fā)表在Applied Physics Letters 97, 171910 (2010)上，后被焦點(diǎn)新聞網(wǎng)作為新聞給予報(bào)道。隨后，Huang等人基于該方法提出了非晶復(fù)合材料原位變形機(jī)理。

非晶材料變形機(jī)制一探到底

隨著對(duì)非晶復(fù)合材料原位變形機(jī)理研究的步步深入，喬珺威意識(shí)到，過去對(duì)于非晶復(fù)合材料的變形機(jī)制主要基于對(duì)剪切帶數(shù)量的簡單觀測，剪切帶越多，塑性越好，但變形的微觀機(jī)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(fā)現(xiàn)，枝晶增韌的非晶復(fù)合材料的壓縮變形機(jī)制，是枝晶內(nèi)部和兩相邊界處的局域非晶化、嚴(yán)重的晶格畸變和大量的位錯(cuò)塞積，以使得復(fù)合材料展現(xiàn)宏觀的塑性變形和加工硬化的原因。

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

兩年后，喬珺威的研究再邁上一個(gè)階梯，與臺(tái)灣國立中央大學(xué)E.W. Huang等人合作提出了樹枝晶Core-Shell結(jié)構(gòu)對(duì)屈服變形的響應(yīng)機(jī)理，論文發(fā)表在Scientific Reports 4, 4394 (2014)上，在科學(xué)網(wǎng)上點(diǎn)擊率超過6000次。

科研無止境，為進(jìn)一步證實(shí)“樹枝晶發(fā)生了碎化來承擔(dān)塑性應(yīng)變，非晶基體并沒有發(fā)生晶化，只是起到了協(xié)調(diào)變形的作用”，喬珺威采用高能X射線技術(shù)直接穿透塊體樣品，獲得變形前后結(jié)構(gòu)的體信息，即三維結(jié)構(gòu)信息。實(shí)驗(yàn)證明，室溫下的拉伸變形不會(huì)導(dǎo)致明顯的溫度變化，也就不會(huì)引起晶粒尺寸發(fā)生變化。因此，晶粒的細(xì)化完全是由于變形導(dǎo)致亞晶的產(chǎn)生，而高能同步輻射技術(shù)的應(yīng)用研究也進(jìn)一步證實(shí)樹枝晶發(fā)生了碎化。

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

亞穩(wěn)態(tài)金屬材料研究團(tuán)隊(duì)2015年度年終總結(jié)全體學(xué)生及部分老師合影

多面剖析非晶材料

然而，結(jié)構(gòu)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(duì)具有工程應(yīng)用前景的內(nèi)生非晶基復(fù)合材料進(jìn)行在極端溫度（例如液氮）及動(dòng)載荷條件下的力學(xué)行為研究。經(jīng)過計(jì)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(zhuǎn)變區(qū)不連續(xù)形成的間隔時(shí)間約200ns，如果200ns內(nèi)溫升達(dá)到0.7倍的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，黏性層就會(huì)形成。而在200ns的間隔時(shí)間內(nèi)，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(huì)發(fā)生應(yīng)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(xué)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(chǔ)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(diào)性，發(fā)表在Scientific Reports 4, 4382 (2014)。

結(jié)束了溫度變量下的研究，喬珺威將目光轉(zhuǎn)向動(dòng)載荷條件下非晶基復(fù)合材料的力學(xué)行為變化。在動(dòng)態(tài)加載時(shí)，即使是準(zhǔn)靜態(tài)下具有較好塑性的復(fù)合材料仍然發(fā)生了脆性斷裂，其主要原因是位錯(cuò)增殖的速率趕不上應(yīng)變發(fā)生的速率。經(jīng)過數(shù)年的持續(xù)探索，喬珺威通過合理調(diào)控第二相組織，得到組織粗大且枝晶體積分?jǐn)?shù)高達(dá)58%的輕質(zhì)鈦基非晶復(fù)合材料，此種復(fù)合材料在動(dòng)態(tài)沖擊時(shí)表現(xiàn)為宏觀的塑性變形。值得自豪的是，他們是國內(nèi)外首個(gè)得到內(nèi)生非晶復(fù)合材料具有沖擊韌性的科研小組，同時(shí)“非晶復(fù)合材料動(dòng)態(tài)沖擊”入圍了2014年度非晶材料十大進(jìn)展基礎(chǔ)研究候選名單。

此外，喬珺威還采用J-C方程擬合了非晶復(fù)合材料在動(dòng)態(tài)沖擊時(shí)的本構(gòu)關(guān)系，為其預(yù)測流變強(qiáng)度提供了理論保障。“這一重要發(fā)現(xiàn)否定了內(nèi)生枝晶非晶基復(fù)合材料在高應(yīng)變速率下無塑性的普遍認(rèn)識(shí)，使我們進(jìn)一步看到該類型復(fù)合材料作為工程結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用前景?！彼d奮地說著。

曾有人這樣評(píng)價(jià)喬珺威：勤奮努力是他的座右銘，認(rèn)真的工作態(tài)度是他一貫秉持的信條，親切待人是他不變的態(tài)度。如今的喬珺威能獲得如此建樹，絕對(duì)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。