漫步微觀世界的“跨尺度”對(duì)話
——北京化工大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授梁立紅與其先進(jìn)材料及結(jié)構(gòu)跨尺度力學(xué)研究

龐紅碩

梁立紅

近年來(lái)，隨著微納米力學(xué)理論的發(fā)展以及新型材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，微納米結(jié)構(gòu)薄膜（或涂層）作為一種研究載體愈來(lái)愈受到關(guān)注。陶瓷涂層由于較好的耐磨、耐腐蝕、高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)等性能在航空航天、航海、化工和能源等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。而對(duì)這種熱障涂層體系力學(xué)性能的研究，不僅對(duì)工業(yè)應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義，還促進(jìn)了薄膜和界面力學(xué)理論的發(fā)展。

例如，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——“納米結(jié)構(gòu)熱障涂層的損傷災(zāi)變實(shí)驗(yàn)及機(jī)理研究”,這項(xiàng)研究不僅對(duì)實(shí)際涂層應(yīng)用設(shè)計(jì)具有參考意義，而且為研究微納米多尺度力學(xué)及建立有效的涂層微結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能關(guān)聯(lián)模型提供了很好的載體。為此，記者專訪了項(xiàng)目負(fù)責(zé)人——北京化工大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授梁立紅。

多年來(lái)，梁立紅主要從事先進(jìn)材料及結(jié)構(gòu)跨尺度力學(xué)相關(guān)研究。她介紹，隨著人們對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的加深，對(duì)自然界中很多材料微觀結(jié)構(gòu)的研究，往往能細(xì)化到納米量級(jí)。“這些納米線、薄膜或微結(jié)構(gòu)（晶粒尺度）在納米量級(jí)的宏觀材料，其力學(xué)性能依賴于特征尺度，如納米晶金屬?gòu)?qiáng)度隨晶粒減小而增加，傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)理論無(wú)法刻畫。研究這種尺度-性能內(nèi)在關(guān)聯(lián)及表征方法即跨尺度力學(xué)”。

跨尺度力學(xué)作為研究前沿不僅具有重要科學(xué)意義，而且對(duì)先進(jìn)材料設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有實(shí)際參考價(jià)值。采訪中，聽梁立紅教授娓娓道來(lái)，記者仿佛置身于一個(gè)浩渺無(wú)垠的微觀世界，跟隨她徜徉其中，開展一場(chǎng)“跨尺度”對(duì)話。

緣不知所起，一往而深

1981年，德國(guó)科學(xué)家格萊特首次提出了納米的概念。1984年，他把一些極其細(xì)微的金屬粉末用特殊方法壓制成一個(gè)小金屬塊，并對(duì)這個(gè)小金屬塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能做了詳細(xì)的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種金屬竟然呈現(xiàn)出許多不可思議的特異金屬性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。格萊特把物質(zhì)碾成極小微粒再組合起來(lái)，實(shí)際上是把界面上的缺陷作為物質(zhì)主體的一部分，由微小顆粒壓制成的金屬塊是一種雙組元材料，有晶態(tài)組元和界面組元，界面組元占50%，在晶態(tài)組元中原子仍為原來(lái)的有序排列。而在界面組元中，界面存在大量缺陷，原子的排列順序發(fā)生變化，當(dāng)把雙組元材料制到納米級(jí)時(shí)，這種特殊結(jié)構(gòu)的物質(zhì)就構(gòu)成了納米材料，由此開始了對(duì)納米材料及納米科學(xué)技術(shù)的研究。

通過(guò)研究，人們發(fā)現(xiàn)納米材料的熔點(diǎn)一般來(lái)說(shuō)會(huì)比傳統(tǒng)材料有所降低。那么，降低多少？降低的機(jī)理是什么？這些人們迫切需要知道的答案，也是梁立紅最早的研究方向和目標(biāo)。

正所謂，緣不知所起，一往而深。這項(xiàng)梁立紅從研究生期間就開展的工作，在此后的科研生涯中不斷深入，已經(jīng)伴隨她走過(guò)了20余年。2003年，梁立紅從吉林大學(xué)博士畢業(yè)后，在中科院物理所做博士后。兩年后，她又到新加坡國(guó)立大學(xué)工作，一直到2007年回國(guó)到中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所工作，她都在與納米、力學(xué)有關(guān)的研究打交道。

實(shí)際上，固體的熱學(xué)性能和力學(xué)性能，如果基于微觀機(jī)制，都可以歸屬到晶格振動(dòng)原理。而一般材料也都有它固有的導(dǎo)熱系數(shù)。但當(dāng)放諸納米尺度時(shí)，呈現(xiàn)的復(fù)雜性就有了無(wú)限可能。

梁立紅很擅長(zhǎng)用有趣的比喻講解理論性極強(qiáng)的知識(shí)。在給記者講述她的部分研究工作時(shí)，她這樣形容：“比如人們用的杯子，不銹鋼杯子里倒上熱水之后馬上就燙手了，因?yàn)椴讳P鋼導(dǎo)熱系數(shù)非常大；而陶瓷杯子就不會(huì)這樣，因?yàn)樘沾傻膶?dǎo)熱系數(shù)非常小。各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般是一個(gè)材料常數(shù)，可以通過(guò)手冊(cè)查到，但如果微結(jié)構(gòu)是納米尺度的話，那么它的導(dǎo)熱系數(shù)就不再是材料手冊(cè)上能夠查到的常數(shù)了，它也具有了尺度效應(yīng)。不僅如此，材料相應(yīng)的其他性能也會(huì)發(fā)生改變。而對(duì)它改變的程度及機(jī)制進(jìn)行表征，就是我曾研究的內(nèi)容。”

其實(shí)，這項(xiàng)在梁立紅的描述中十分有趣的工作，具體開展時(shí)卻很枯燥，需要科研工作者“耐得住寂寞”。它包括理論方面的研究，以及開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)、模擬工作，最終揭示它的機(jī)理、刻畫它的行為。功夫不負(fù)有心人！梁立紅在納米尺度熱傳導(dǎo)、薄膜彈性模量及界面能的尺度效應(yīng)等問(wèn)題系統(tǒng)的研究中，取得了一系列成果；在納米材料相變熱力學(xué)的研究方面也成果頗豐，并榮獲了中國(guó)科學(xué)院王寬誠(chéng)獎(jiǎng)（2004）等。

“喜看稻菽千重浪”

對(duì)于力學(xué)學(xué)科來(lái)說(shuō)，微納米力學(xué)、表界面力學(xué)等前沿研究，對(duì)引領(lǐng)學(xué)科方向發(fā)展，具有十分重大的科學(xué)意義。而從應(yīng)用的角度來(lái)看，這項(xiàng)研究也大有裨益。

就拿“納米結(jié)構(gòu)熱障涂層的損傷災(zāi)變實(shí)驗(yàn)及機(jī)理研究”項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片、航天應(yīng)用中的火焰筒、密封圈等零部件，服役環(huán)境溫度比較高，僅僅使用高溫合金材料仍然不能滿足服役環(huán)境，就需要在表面添加熱防護(hù)涂層。這種熱障涂層在機(jī)理方面非常復(fù)雜。一方面，陶瓷涂層的導(dǎo)熱系數(shù)越低或者涂層越厚越好，可以對(duì)內(nèi)部的金屬部件起到更好的熱保護(hù)作用；另一方面，涂層過(guò)厚除了要考慮成本因素，由于陶瓷涂層/金屬基底間的界面失配增加可能導(dǎo)致界面更易開裂，一旦涂層開裂剝離，失去涂層保護(hù)的基底合金在高溫下將很快失效，從而縮短了部件的力、熱耐受性及壽命。因此改善涂層和基底合金的性能以及兩者之間的粘結(jié)性能，研究涂層/基底體系在力、熱載荷下的損傷失效機(jī)制一直是力學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。

“事實(shí)上，涂層的失效模式與材料成分、微結(jié)構(gòu)、厚度、加載方式、服役環(huán)境等許多因素有關(guān)。那么這諸多因素可否歸一成某種統(tǒng)一的特征參量呢？如果建立一個(gè)統(tǒng)一的損傷模型，由其中的相關(guān)參量大小來(lái)反映不同的實(shí)際情況，并建立起關(guān)鍵參量的物理表征，將對(duì)跨尺度脆性損傷理論的發(fā)展具有重要意義。”梁立紅介紹，根據(jù)微納米結(jié)構(gòu)熱障涂層的應(yīng)用背景提出的相關(guān)科學(xué)問(wèn)題，對(duì)發(fā)展結(jié)合實(shí)驗(yàn)的微納尺度的脆性涂層損傷理論提出了迫切要求，這也正是相關(guān)項(xiàng)目的目標(biāo)。

研究過(guò)程中，梁立紅基于研究現(xiàn)狀和原有工作基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)微、納米結(jié)構(gòu)不同厚度氧化鋯陶瓷涂層/鎳基合金基底樣品在彎曲及熱震載荷下的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究及裂紋演化、損傷失效特征考察，結(jié)合不同控制變量的統(tǒng)一數(shù)學(xué)表達(dá)及災(zāi)變損傷理論分析，定義新的損傷參量，并基于納米表界面熱力學(xué)等對(duì)損傷參量進(jìn)行物理表征，來(lái)研究納米結(jié)構(gòu)涂層的損傷失效規(guī)律及機(jī)制，以期建立有效的熱-力失效關(guān)聯(lián)。

針對(duì)先進(jìn)涂層結(jié)構(gòu)在航空、航天等領(lǐng)域關(guān)鍵部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、密封圈等）的應(yīng)用背景，結(jié)合涂層/基底界面力學(xué)、涂層結(jié)構(gòu)在力、熱載荷下?lián)p傷斷裂力學(xué)，以及涂層隔熱等跨尺度相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題展開研究，梁立紅取得系列成果：在固體力學(xué)核心期刊Int. J. Solid. Struct、涂層核心期刊Surf. Coat. Technol、計(jì)算核心期刊Comp. Mater. Sci.等國(guó)際期刊上共發(fā)表SCI論文近50篇，SCI他引800多次（近5年300余次）；失效相關(guān)界面能及熱傳導(dǎo)公式被中外科學(xué)家直接使用。

引用其論文的期刊覆蓋力學(xué)（如J.Mech.Phys.Solid.2016，99，321）、材料（如Advance.Mater.2017,29,01850）、化學(xué)（如Chemical Reviews 2014，114，9613）等多個(gè)領(lǐng)域，反映了梁立紅工作的基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性；而其較早文章近年仍被較多引用，則反映了梁立紅工作的引領(lǐng)性、可持續(xù)性。

此外，梁立紅數(shù)次參加國(guó)際斷裂會(huì)（2017、2013）、國(guó)際計(jì)算會(huì)（2018、2014）、國(guó)際材料力學(xué)大會(huì)（2019）、中國(guó)力學(xué)大會(huì)、中國(guó)材料大會(huì)等，在薄膜、涂層及界面力學(xué)等相關(guān)分會(huì)作邀請(qǐng)報(bào)告或主持。如2017年6月國(guó)際斷裂會(huì)，主持微觀斷裂分會(huì)研討。還受邀為Journal of the American Ceramic Society、Acta Mechanica Solida Sinica、Engineering Fracture Mechanics、International Journal of Heat and Mass Transfer等多種SCI期刊審稿。

“我們搞基礎(chǔ)研究的把部件力學(xué)行為的物理機(jī)制搞清楚了，對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用設(shè)計(jì)和部件的服役都具有參考價(jià)值。”談起成果，梁立紅很淡然，也很謙遜。但記者覺得，通過(guò)20余載的精耕細(xì)作，當(dāng)面對(duì)用汗水澆灌出的一項(xiàng)項(xiàng)成果時(shí)，她想必也是“喜看稻菽千重浪”般的心境吧！

“九萬(wàn)里風(fēng)鵬正舉”

2019年7月，梁立紅離開工作多年的中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，加入北京化工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，完成從科研機(jī)構(gòu)到高校的轉(zhuǎn)型。“力學(xué)是一個(gè)很特別的學(xué)科，很多工科領(lǐng)域都需要力學(xué)基礎(chǔ)。在中國(guó)科學(xué)院工作的時(shí)候，研究工作非常前沿、基礎(chǔ)，而在高校又與企業(yè)結(jié)合十分緊密，很注重應(yīng)用。”梁立紅介紹，自己是通過(guò)學(xué)校的人才引進(jìn)加入機(jī)電學(xué)院的，希望能夠在力學(xué)研究和學(xué)科建設(shè)方面貢獻(xiàn)自己的一份力量，為學(xué)院學(xué)校的發(fā)展壯大添磚加瓦。

近一年來(lái)，梁立紅開展了跨尺度力學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，積極搭建固體力學(xué)測(cè)試平臺(tái)；組建了力學(xué)交叉團(tuán)隊(duì)，與力學(xué)基礎(chǔ)教研室老師及其他新引進(jìn)青年人才一起努力，希望力學(xué)切實(shí)起好工科基礎(chǔ)、理科應(yīng)用的橋梁作用。與此同時(shí)，她還開設(shè)了“從趣味力學(xué)到工程力學(xué)”課程，以負(fù)責(zé)的航空航天等國(guó)家基金項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)研究興趣與素質(zhì)。梁立紅說(shuō)，希望通過(guò)給同學(xué)們尤其是本科生普及力學(xué)知識(shí)，讓同學(xué)們能夠?qū)@個(gè)學(xué)科方向感興趣，將來(lái)在這個(gè)方向?qū)W以致用。

回顧多年的科研生涯，梁立紅很感謝不同階段的各位導(dǎo)師，他們性格各不相同。但無(wú)論是嚴(yán)苛的，還是和善的，她覺得都得到了非常大的幫助。“年輕氣盛時(shí)，大家也會(huì)因?yàn)檠芯坑^點(diǎn)不同而發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)，也會(huì)被老師批評(píng)。但問(wèn)題只有越辯才能越明，現(xiàn)在回想起來(lái)，大家針對(duì)問(wèn)題討論，老師毫不保留地賜教，那種學(xué)術(shù)氛圍是非常寶貴的”。

這種寶貴的學(xué)術(shù)氛圍以及學(xué)術(shù)精神，也通過(guò)梁立紅的傳道授業(yè)，實(shí)現(xiàn)了代際傳遞。如今，梁立紅常常對(duì)學(xué)生說(shuō)，做科研不能想太多得失成敗，過(guò)程最重要。“我不強(qiáng)求學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)有多么強(qiáng)，其實(shí)大多數(shù)學(xué)生都是差不多的，但是我希望他能夠有愿意為科研奉獻(xiàn)的精神，必須得坐得住板凳、耐得住清苦，有極大的科研熱情”。

基礎(chǔ)科學(xué)研究往往一方面基于理論開展工作；另一方面需要做實(shí)驗(yàn)證明結(jié)果的可靠性。有時(shí)要得到一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所經(jīng)歷的過(guò)程百轉(zhuǎn)千折。梁立紅說(shuō)：“雖然我們會(huì)盡量讓實(shí)驗(yàn)條件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、嚴(yán)格統(tǒng)一，但是有時(shí)候測(cè)出來(lái)的結(jié)果往往仍然是不盡人意或不盡相同的。這時(shí)候，我也會(huì)鼓勵(lì)同學(xué)們不要灰心喪氣，要找問(wèn)題，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行更科學(xué)地統(tǒng)計(jì)分析”。

其實(shí)，這么多年，不怕失敗，努力尋求問(wèn)題所在、解決問(wèn)題，不斷在科研道路上前行，梁立紅所依賴的也正是她所說(shuō)的這種極大的科研熱情和奉獻(xiàn)精神。尤其作為女性科研工作者，當(dāng)她選擇將更多的時(shí)間和精力投入科研工作的時(shí)候，必然在家庭方面感覺有所虧欠。“孩子學(xué)習(xí)課業(yè)任務(wù)也比較重，需要家長(zhǎng)大力支持，我肯定支持的，但有時(shí)候確實(shí)付出得不夠。但是我想孩子也要獨(dú)立，人都是要靠自己，我們就做個(gè)榜樣吧！”

采訪結(jié)束時(shí)，梁立紅把對(duì)未來(lái)的期許用十分樸素的話總結(jié)為一句：“希望一起努力在‘十四五’期間多出一些創(chuàng)新成果吧！”漫步微觀世界，徜徉在“跨尺度”對(duì)話中，記者透過(guò)梁立紅的科研工作，看到的是“九萬(wàn)里風(fēng)鵬正舉”的景象。愿風(fēng)休住，蓬舟吹取三山去！也愿浩渺的微觀世界越來(lái)越清晰！