□ 田偉娜

鉆研一門科學(xué)，參透一種人生，或多或少都是在微觀與宏觀中交替進行的，科研工作者對于材料的研究亦是如此。金屬材料，是一種與熱能、汽車、機械、航空航天等多個領(lǐng)域息息相關(guān)的基礎(chǔ)材料，可以說是制造行業(yè)里不可或缺的一塊“敲門磚”。早在20世紀初，研究人員就試圖通過分析材料的微觀結(jié)構(gòu)來認識并調(diào)控其宏觀性能，一旦材料的微觀結(jié)構(gòu)以及調(diào)控方法掌握清楚，就可以從材料的微觀結(jié)構(gòu)入手對其宏觀性能進行改進和提升，使其更好地應(yīng)用于制造業(yè)。

目前，這條架構(gòu)通向材料微觀與宏觀世界之間的橋梁正日臻完善，但已經(jīng)建好的部分卻只是針對晶態(tài)材料而言。清華大學(xué)材料學(xué)院副教授邵洋提到，與晶態(tài)材料不同，就非晶態(tài)材料而言，雖然人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其具有諸多優(yōu)異性能，但始終沒有找到從微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控其宏觀性能的理論方法和可靠途徑。近幾十年來，科研工作者做了無數(shù)努力，希望打破這個科學(xué)魔咒，邵洋也是其中一員，他希望用自己的力量將缺失的非晶態(tài)材料中微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的橋梁搭建起來。

走進材料世界

邵洋與非晶態(tài)材料的結(jié)緣，經(jīng)歷了一番曲折。在清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系完成本科學(xué)習后，邵洋繼續(xù)在清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系進行碩士階段的學(xué)習，期間他跟隨章曉中教授主攻計算機模擬。碩士畢業(yè)后邵洋決定走出國門，來到加拿大麥克馬斯特大學(xué)攻讀博士，在博士研究生階段以及后來在加拿大國家電子顯微鏡實驗室從事博士后研究期間，邵洋將研究重點集中在對材料微觀結(jié)構(gòu)的詳細表征和分析上，所研究的材料也都是基于晶態(tài)的材料。2010年，從加拿大學(xué)成歸國的邵洋，在清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系張文征教授的引薦下，由機械系姚可夫教授引進到清華大學(xué)機械系工作。2013年，在清華大學(xué)院系調(diào)整過程中，隨姚可夫教授課題組一起從清華大學(xué)機械系進入新成立的清華大學(xué)材料學(xué)院工作。

回國后，根據(jù)課題組的研究方向和工作安排，邵洋決定盡快調(diào)整自己的研究方向，把所有的注意力集中到非晶態(tài)材料的研究上去。盡管晶態(tài)和非晶態(tài)材料在結(jié)構(gòu)、性能等諸多方面存在不小的差異，但憑借堅實的材料學(xué)基礎(chǔ)知識以及長期積累的研究經(jīng)驗，邵洋很快地度過了這段科研方向的調(diào)整換期，開始全身心地投入到非晶態(tài)材料的研究中。

隨著對非晶合金的深入了解，邵洋意識到要想對非晶合金的塑性形變能力進行改進，就必須對其基本塑性形變載體進行充分的認識，也只有全面掌握了非晶合金塑性變形載體的運動行為后，才有可能從微觀結(jié)構(gòu)上對其宏觀力學(xué)性能進行調(diào)控。再進一步，就需要對當前神秘的非晶合金結(jié)構(gòu)進行有效的表征和建模。如果可以構(gòu)建出非晶合金的基本結(jié)構(gòu)，那么各種非晶合金的宏觀性能就可以找到具體的微觀結(jié)構(gòu)起源，從而在非晶合金這一領(lǐng)域可以實現(xiàn)研究人員的夢想，即從微觀結(jié)構(gòu)角度來調(diào)控宏觀性能。做科研就要頂天立地，邵洋不僅要啃非晶合金研究中的硬骨頭，而且也要在非晶合金的工程應(yīng)用上有所貢獻。利用非晶合金特有的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，邵洋正在嘗試其在極端環(huán)境條件下的應(yīng)用，比如航天航空中的特殊零部件。此外，鐵基非晶合金展現(xiàn)出優(yōu)異的軟磁性能，有望替代現(xiàn)有的電機用鐵芯材料，從而提高實現(xiàn)電機的小型化。他又提到，當電機在高頻工作時，傳統(tǒng)電機的鐵芯損耗過高，這會造成電機大量發(fā)熱甚至造成損壞。若能利用鐵基非晶合金來替代，有望大幅降低電機在高頻工作下的能耗，提升電機的效率，為國家節(jié)省大量的能源?！斑@正是我們在努力去做的事?！鄙垩蟊硎?。

潛心非晶態(tài)材料

看似“完美”的非晶態(tài)材料，其實也有“缺陷”。沉浸在非晶態(tài)材料世界里的邵洋，并沒有被其優(yōu)異的力學(xué)性能等特點所“迷惑”，反而專從其不足入手。他認為在更好地利用材料自身優(yōu)勢的同時也要盡力去克服其存在的不足。在研究非晶合金時，邵洋認識到非晶合金的玻璃形成能力制約著大尺寸非晶合金成分調(diào)節(jié)和制備手段的提升空間，而當前對非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)的認識不足也制約著對非晶合金宏觀性能的深入理解，這些都是非晶合金領(lǐng)域中最核心、最急需解決的問題。此外，非晶合金的塑性形變能力也令科研工作者頭疼不已，普遍來說，非晶合金都擁有極好的彈性極限，可卻幾乎沒有拉伸塑性，這就大大限制了其工程應(yīng)用及材料加工過程中對安全性的要求，也影響了非晶合金在工程中的應(yīng)用。

邵洋決心一步一步去啃這些非晶合金研究領(lǐng)域中的硬骨頭。他首先從相對簡單的非晶合金塑性變形行為入手，為此，他于2017年主持了國家自然科學(xué)基金項目“具有不同室溫壓縮塑性的非晶合金中剪切帶微觀結(jié)構(gòu)和擴展規(guī)律的研究”，對非晶合金的塑性形變機制及其影響因素展開研究。

雖然項目還在進行階段，但在前期研究工作的基礎(chǔ)上，邵洋已經(jīng)有了對非晶合金塑性形變機制研究的思路。他表示，要選擇具有不同室溫壓縮塑性的Pd基、Zr基、Ti基、Fe基非晶合金及部分高熵非晶合金為研究對象，以影響非晶合金力學(xué)特性的剪切帶運動行為為切入口，研究不同非晶合金系中單根剪切帶的形核和擴展、多重剪切帶擴展規(guī)律、主剪切帶滑動過程中的動力學(xué)之間的異同，材料內(nèi)部自由體積在剪切帶穩(wěn)態(tài)擴展和失穩(wěn)擴展中的變化規(guī)律，以及不同組元及材料本征物理常數(shù)對這些剪切帶擴展異同的影響規(guī)律等。

談到具體的研究方法，邵洋表示既然想要找到改善材料宏觀力學(xué)性能的方法，就要弄清楚影響非晶合金力學(xué)性能的基本塑性變形載體的形核和擴展規(guī)律，因此他決定采用實驗分析、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，三管齊下來揭示不同非晶合金系中力學(xué)性能遺傳特性的物理起源。邵洋說道：“一旦弄清楚非晶合金塑性差的原因以及其斷裂機制，會為接下來通過合金化方法調(diào)節(jié)非晶合金的力學(xué)性能供理論指導(dǎo)?！?/p>

項目中的每一個步驟，每一環(huán)研究，邵洋在實施前都會在心中做好科學(xué)的預(yù)算。他表示對材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的研究，需要涉及多方面的學(xué)科知識，也需要做好打長期攻堅戰(zhàn)的十足準備，所以研究中的每一步都需要細致思考，反復(fù)實驗，不能有一絲一毫的松懈。

除了科研方向上的轉(zhuǎn)變，加入《工程材料》課程教學(xué)組后，邵洋還需要轉(zhuǎn)變的就是身份。從講臺下的學(xué)生到講臺上的教師，邵洋難免有些不習慣?！案兄x姚老師的幫助?！鄙垩笳f。姚可夫教授是北京市教學(xué)名師，在“工程材料”課程教學(xué)過程中不僅會提醒邵洋哪些應(yīng)是課堂講授的重點，哪些是學(xué)生容易混淆的概念，還會在課后指導(dǎo)邵洋備課中存在的問題。有了姚可夫教授的點撥與提攜，邵洋很快適應(yīng)了教師的身份。不管是科研還是教學(xué)，邵洋都很明確自己的前進方向，也正在一步一步踐行著。