北京科技大學張勇教授：探索高熵合金 譜寫材料新篇
2023-03-09 16:36:54
作者：材料學網 來源：材料學網
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材料是人類制造生產工具賴以生存和發展的重要物質基礎，人類按生產和應用的成熟程度把材料劃分為傳統材料和新型材料，鋼鐵、水泥、木材、玻璃和陶瓷等用來構筑基礎設施和制造機械裝備為傳統材料，而工程塑料、碳纖維、復合材料、高溫合金和鈦合金等新型材料用量雖不及傳統材料，但往往是現代高端技術賴以實現的重要條件，在宇航、交通、信息、裝備制造業和生物醫用中都有良好應用前景，在某些情況下，其作用是不可替代的，例如鈦合金和高溫合金是制約航空發動機性能的關鍵因素。
進入21世紀，人類對金屬結構材料提出了新的要求，研發新材料不僅要適應高技術發展，滿足人類高質量生活需求，更要求資源豐富、高效能、低能耗、容易回收，可持續發展。北京科技大學的張勇教授，二十多年來就一直致力于開發新型高熵合金及其復合材料的工程使用性能、探索材料性能和微觀亞微觀結構的聯系以及如何通過工藝來控制微米/納米級別結構從而改善和優化工程材料性能。還從事非晶合金及其復合材料，BRIDGMAN技術，高通量技術，成分梯度材料方面的研究，為推動我國高合金領域研究做出了重要貢獻。張勇1969年生于河北宣化，1991年，張勇畢業于燕山大學原東北重型機械學院，1994年獲得北京科技大學碩士學位，1998年獲得北京科技大學博士學位。1994年到1998年，在中國核工業總公司202廠實習工作，隨后到中國科學院理論物理研究所作物理學的博士后。2000年，張勇進入新加坡—麻省理工學院聯盟的微米/納米系統高新材料學部和新加坡國立大學理學院材料科學系工作。隨后訪問了英國謝菲爾德大學，利物摩爾大學，牛津大學，劍橋大學，新加坡南洋理工大學等，2012年在美國諾克斯維爾市田納西大學做高級訪問學者。多年的科研沉淀為他打下了堅實的基礎，他主要研究領域為高熵材料與物理成分梯度材料與納米器件纖維復合材料等，在材料學科領域里他如魚得水，不斷攻堅克難、創新突破。早在20世紀90年代，當張勇還是北京科技大學博士的時候，就參加了我國貧鈾裝甲材料的制備及抗動能穿甲彈性能的研究工作，雖然在此研究工作中需要面臨放射性物質的毒害，而且條件極其艱苦，張勇并沒有退縮，而是迎難而上、全心全力投入其中。研究過程中，他和同事們發現了裝甲板防護性能隨著陶瓷和金屬體積分數變化的雙極值規律，即在金屬合金防護機制下隨陶瓷體積分數變化防護系數出現一個極值，在陶瓷防護機制下隨金屬體積分數變化防護系數出現另一個極值。在該課題中，張勇和團隊先后制備出了碳化鈦，碳化鎢，碳化鈾，氮化硅，碳化硅等為基的多孔材料，和并通過壓力浸漬復合工藝制備出了貧鈾基和鋁基復合材料。“雙極規律”是張勇科研道路上一項重要的研究成果，隨后，在新加坡工作期間，他將主要的研究目標聚焦在非晶合金和高熵合金及其復合材料領域，主要致力于解決這兩種材料成為新一代結構和功能材料之前的科學問題。在非晶合金領域，張勇等用共晶生長耦合區原理分析了鑭基合金的最優玻璃形成成分和共晶點的關系，發現了微量稀土釔可以顯著提高鋯基合金的玻璃形成能力。他們利用Bridgman凝固技術，控制鋯基和鈦基合金中枝晶的分布和形貌，獲得了具有室溫拉伸塑形的內生非晶復合材料，為非晶復合材料的工程應用提供了可能。熵是無序的一個度量，熵和信息互為倒置關系，高熵合金是基于無序參量發展的合金。由于高熵合金具有突破現有材料性能極限的潛力，因此在材料科學及工程上相當受到重視。張勇的課題組在國內較早開展高熵材料和鋸齒行為相關研究，他利用鋁元素具有穩定鐵素體的金屬學原理在面心立方FCC高熵合金基礎上，用鋁元素消除銅元素的偏析，得到了第一個高強度的體心立方米BCC高熵合金，該合金具有強大的加工硬化率，斷裂強度高達3000MPa。首次發現了高熵合金具有抗輻照的特點，無序合金的組織在離子輻照后，缺陷的尺寸和產生率更低。國際上首次利用Bridgman技術制備了高熵合金單晶樣品，A10.3CoCrFeNi和A10.3CoCrFeNi2.張勇還提出了信息熵和混合焓比值參量W，用來評價材料的熵值，已被大量文獻證明可以有效地預測無序固溶體和非晶相的形成。課題組合成了一系列體心立方米高熵合金，包括ZrNbTiAl NbTiAlTaV TiZrNbMoV AlCoCrFeNiTix，低活化高熵合金WTaFeCrV WTaFeCrNi UNbZrTiMo,還發現了這個含鎢高熵合金具有自銳性等。
與國外非晶研究及應用化程度相比，我國的相關研究仍尚有明顯差距，作為我國非晶和高熵合金領域的先行者，張勇深知必須加大我國非晶領域科研的進展。目前，除利用高熵概念開發新型AlMgZnCuLi和AlMgZnCuSi系列航空用輕質合金外，他還進行太陽能光熱集熱器高熵選擇性吸收涂層開發的研究，而開發高溫穩定的高性能光熱轉換太陽能選擇吸收涂層極為重要，具有相當大的挑戰性。張勇課題組采用磁控濺射或分子束外延MBE技術的方法在不銹鋼基體上依次鍍膜NbTiAlSiNx梯度薄膜，并采用熱壓燒結技術制備了塊體材料，NbTiAlSiN NbTiAlSiC等。在國際上首次研制成功高強高韌高熵合金纖維材料，纖維的結構是仿生竹子纖維結構。合作在《Science》上發表關于魚骨結構高強高韌高熵合金的文章，發明了高通量開發新材料的技術，按照需求材料的性能指標及其成本要求，首先采用高通量計算，初步篩選材料的成分和工藝，然后采用高通量實驗小樣品驗證，最后把得到的最終材料，進行大樣品實驗。在高熵合金高通量實驗中，發明了物理掩模版和化學掩模版分離小樣品技術。天道酬勤，付出的努力和汗水總能換來欣慰的碩果，時間記錄了張勇的勤奮，一項項研究成果證實他在材料研究上的天資，這是一份沉甸甸的榮譽。目前，張勇共獲得8項國家發明專利的授權，2項美國發明專利的授權，發表學術論文200余篇。2010年出版中文專著《非晶與高熵合金》，2016年合作出版英文專著《High Entropy Alloys Fundamentals and Applications》，該書被臺灣國科會評為2019年最具影響力專著。2017年參與英文專著《Magnetic sensor》第一章的編寫。關于非晶和高熵合金的研究成果，寫入了大學的兩部教材《金屬材料學》和《非平衡凝固理論與實踐》之中。2019年出版中文專著《先進高熵合金技術》，2019年出版英文專著，《Highentropy MaterialsA Brief Introduction》。2005年入選教育部新世紀優秀人才，2011年教育部自然科學二等獎，2016年中國材料研究學會先進工作者，2015年山西省自然科學二等獎《高強高韌金屬非晶復合材料的變形機理》，獲得2018年國家自然科學獎二等獎《塊體非晶合金的結構和強韌化》，2018年教育部自然科學一等獎《高熵合金的相形成規律和組織性能研究》，2018年獲得青海省高端創新稱號，獲得了2019年度《中國科學》《科學通報》優秀作者，2020年參與了英文專著《Engineering Steels and Highentropy alloys》的出版。2021年出版英文專著《Amorphous Alloys and Highentropy Materials》新加坡維澤出版社，2022年出版專著《Highentropy MaterialsMicrostrutcures and Properties》，Intechopen出版社。
幾度春風化綢繆，多番秋雨洗鴻溝;黑發積霜織日月，粉筆無言寫春秋。張勇不忘初心，為開拓創新科研與教育并進之路颯沓前行。真正的夢想，永遠在現實之中，更在堅持之中，張勇作為一位高熵合金在航空和太陽能領域應用的開拓者，一步一個腳印，一個難題又一個難題地攻克，在科研工作中開啟了一片新天地。相信未來，他將帶領團隊，繼續為中國材料科學的發展、以及對于民族科技的發展，抒寫出更加絢麗的華章。
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