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纳米金属铜室温超塑延展性的发现
  文章来源: 发布时间:2004-10-10 【字号: 小  中  大   

卢柯 材料科学家。1965年出生于甘肃省华池县,1985年7月毕业于南京理工大学机械系,1990年获中科院金属所博士学位。现任中国科学院金属研究所所长、沈阳材料科学国家联合实验室主任、博士生导师。主要从事纳米材料及非晶态材料领域的研究,取得了一系列国际上公认的高水平科研成果,先后被四种国际学术期刊聘为编委,聘任国际纳米材料委员会委员。曾获首届香港求是基金会“杰出青年学者奖”(物理类),1999年被授予何梁何利基金科学与技术进步奖,中国青年科学家奖,杰出青年科学家奖,国际亚稳及纳米材料年会授予ISMANAM金质奖章和第三世界科学院TWNSO技术奖等20余项奖励。

纳米金属是目前材料科学的一个研究热点,由于其晶粒细小,结构独特而被称为“20世纪的新材料”,纳米材料通常会表现出许多同普通多晶体材料截然不同的优异性能,如超高强度、高韧性、优异的电磁性能等等,其中纳米金属材料的力学性能,是国内外学术界关注的热点之一。纳米材料优异的力学性能为发展下一代高性能金属结构和功能材料开辟了一条新路。

纳米材料常用的制备方法如惰性气体冷凝法、球磨法、非晶晶化法等都各有一定的局限性,很难制备出致密、界面清洁、结构均匀稳定、价格低廉的三维大尺寸纳米金属材料。受到纳米材料样品质量和尺寸的限制,以往纳米材料的力学性能常以小样品的压缩实验为主,一方面很难获得可靠的力学性能数据,另一方面样品中大量缺陷的存在一定程度上也掩盖了纳米材料的本征性能。因此,无论是在纳米材料基础研究还是在开发应用上,如何制备廉价、优质的纳米材料都是亟待解决的问题。

卢柯博士在多年研究工作的基础上,利用传统电解沉积技术,优化工艺参数,成功地制备出致密、高纯度的块状纳米晶体Cu样品,晶粒尺寸为30nm,纯度高于99.995wt%,密度可达普通纯Cu理论密度的99.4%。在室温(仅为熔点的22%)下轧制该纳米晶Cu样品,其延伸率可高达5100%,而没有产生明显的加工硬化效应,并发现冷变形过程中晶粒尺寸保持不变。初步分析表明,在纳米晶Cu的变形中晶界运动起重要作用。这表明金属纳米材料具有与普通多晶体材料完全不同的力学性能和加工行为。此工作在Science上发表,并受到审稿人的高度评价,他们认为:“该文章报导了纳米金属材料超塑性领域一种令人感兴趣的新的发展方向,作者报导了在纳米金属中以前从未得到的新结果”;“这是一篇在纳米材料力学性能方面有着非常有趣的和引人注目实验结果的文章”。著名学者H.Gkeiter教授称此工作是“本领域的一个突破,它第一次向人们展示无空隙纳米材料是如何变形的”。

自90年代初期开始,卢柯博士开始纳米材料的研究工作。他认为首先应该制备出好的样品。依靠别人提供的样品来做科学研究,由于不熟悉样品的制备过程,对制备过程中材料微观结构的演变和发展缺乏清楚的认识,而且不能够系统规范地进行科学研究,局限性太大。在这种思想指导下,他一直将纳米材料的制备作为头等大事来抓,经过多年的努力,他们在纳米金属材料的制备技术上取得了重要的进展,先后利用非晶态固体完全晶化法、超细粉冷压法、电解沉积法等制备出多种金属及合金纳米材料。

许多工作正是由于他们有自主的成熟的制备技术,才得以开始。如他用非晶晶化法制备的不同晶粒尺寸的纳米金属样品,研究了纳米材料样品的力学性能同晶粒尺寸之间的关系;用球磨法制备的Fe、Cu、Se等纳米单质样品的晶格结构研究中,发现了晶格的畸变效应;用电解沉积技术制备的高纯致密的纳米晶Cu样品中,不但观察到了室温超塑延展性,而且发现室温下拉伸具有与相Cu截然不同的反常速率效应:其拉伸率随拉伸速率的增加而提高……。在非晶态合金的晶化过程中,他发展了非晶完全晶化制备全致密纳米材料的新方法,这种新制备方法目前被视为纳米材料的三大制备方法之一。此后,卢柯博士开展了合金纳米材料的结构、性能及稳定性研究,发现了合金纳米晶体中的反常Hakk-Petch关系,即当材料细化到纳米尺度时,硬度不但不会提高反而下降;发现了纳米晶体的晶格畸变效应等。这些开创性的研究成果突破了传统的观点和理论框架,将纳米材料的研究推向了新高度。

众所周知,纳米材料优异的力学性能是倍受各国学者广泛关注的热点问题。十年前就有人预测:如果将金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级,那么这种材料将会在很低的温度下发生扩散蠕变且应有很好的塑性变形能力,甚至在室温条件下就可发生超塑性变形。然而,大量的实验结果却十分令人失望。大多数纳米金属样品都非常脆(其延伸率仅为1%~4%),扩散蠕变速率也非常低。虽然在一些纳米金属及合金体系中已观察到超塑性变形温度降低的趋势,但这和人们所期待的纳米材料在室温下即可发生超塑性变形的现象仍有一定距离。这种理论与现实的差距使得一些人开始怀疑纳米材料是否真的本身就没有变形能力,越来越多的人开始回避这个敏感的问题。卢柯博士始终在冷静地思考着,他相信这种实验结果与理论预测不相符合的原因主要是由于纳米样品在制备过程中所引入的缺陷所致,改进现有纳米材料的制备工艺和发展新的制备技术将是实现纳米材料室温超塑性的突破口。一次次的尝试与失败,一次次的努力与积累,功夫不负有心人,他终于在利用电解沉积技术制备的纳米晶Cu样品中观察到了纳米晶体的室温超塑延展性!

长期以来,卢柯博士领导的研究小组在纳米材料研究领域开展了一系列有创新性的工作,在国际著名学术刊物,如Science、PRL、PRB、Acta、Mater等上发表了百余篇论文,卢柯博士二十余次被邀请在国际学术会议上做特邀报告,使得该研究小组一直处于该领域的领先位置,这一切都是与他们充分发挥自己的特长,按照样品制备、结构、性能三者相结合的研究特点分不开的。

撰稿人:卢磊

点评:

卢柯先生的研究工作将十年前他人的预测变为现实,展示了无空隙铜纳米材料是如何变形的。这个案例说明,从事金属物理研究,必须重视材料制备。卢柯先生之所以能在纳米材料研究中不断有所发现,一是不回避理论和现实存在的差距,冷静思考,找到解决问题的突破口;二是有自主成熟的制备技术,并在实践中发展新的方法;三是锲而不舍地追求真理的科学精神。

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