“這個實驗真的可以完成嗎？我得去現(xiàn)場看看！”
美國工程院和英國皇家工程院院士、英國皇家科學院院士、美國勞倫斯伯克利國家實驗室教授Robert O. Ritchie為何如此激動？
(資料圖片僅供參考)
原來是有人設計出了一項他們一直想做卻沒能做的實驗——在零下253攝氏度（20開爾文）的低溫環(huán)境中，揭示CrCoNi基中熵和高熵合金具的斷裂韌性，并展示合金裂紋的擴展和斷裂全過程。
提出實驗方案并主導完成這一實驗研究的，是英國布里斯托爾大學物理學院年輕的副教授劉棟。12月2日，完整的研究成果在Science發(fā)表，劉棟是論文的第一作者，Robert O. Ritchie是論文的通訊作者。
中國科學院金屬研究所研究員張鵬和張哲峰受Science邀請，為這篇論文撰寫了評述文章《在嚴寒中變得堅強》（Getting tougher in the ultracold）。在閱讀這篇論文前，張哲峰非常好奇：“研究人員是如何設計實驗的思路，特別是怎么想到這個合金成分韌性會比其他成分高呢？”
“這項研究十分了不起，作者應該是一位女中豪杰！” 張哲峰在接受《中國科學報》采訪時候透露，“自己并不認識劉棟，她能夠完成這項工作很不容易，這需要有材料韌化理論和機制支撐，不然都是徒勞！”
此前沒有其他團隊可以完成實驗
為什么Robert O. Ritchie一定要去現(xiàn)場看一看實驗設計呢？
“因為他與合金材料的提供者、美國橡樹嶺國家實驗室和美國田納西大學研究員EasoP.George，曾被其他國家的一些實驗室團隊口頭承諾過很多次。如今，他們對這個實驗完成的可能性已經(jīng)‘心灰意冷’。”劉棟笑著告訴《中國科學報》。
RobertO.Ritchie和EasoP.George研究高熵合金已有多年，并且發(fā)現(xiàn)高熵合金在77開爾文低溫下相對于常溫有更好的斷裂性能，因此他們推斷在更低溫度下材料的斷裂韌性有可能會更好。
劉棟介紹：“我們開展實驗前也有團隊曾經(jīng)嘗試過，但大多以失敗而告終，甚至有些實驗不了了之。所謂希望越大失望越大，這也是Robert O. Ritchie一定堅持要到現(xiàn)場的原因。”
“這個實驗我們做了兩年多，也經(jīng)歷過挫折和挑戰(zhàn)，但我們沒有放棄，而是選擇堅持到底。” 劉棟團隊不僅最終完成了實驗，還發(fā)現(xiàn)了精彩的斷裂過程。
這項研究發(fā)現(xiàn)，在20開爾文下CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂紋萌生斷裂韌性分別為262和459（MPa/m2），其中，在2.25毫米的穩(wěn)定開裂后，CrCoNi顯示出超過540MPa/m2的裂紋擴展韌性。
“我們的實驗結果顯示，CrCoNi合金的裂紋擴展韌性值是有史以來最高的。”劉棟說，“這個材料將來會在極端寒冷的環(huán)境中有非常大的應用價值。”
劉棟博士畢業(yè)照（受訪者供圖）
設備+材料+方法=成功
關于高熵合金，曾有科普文章做過解釋：當原子處于“整齊站隊”的有序狀態(tài)時，合金體系處于“低熵”的狀態(tài)；當合金的原子處于“自由活動”的無序狀態(tài)時，合金體系則處于“高熵”狀態(tài)。
傳統(tǒng)合金由一種主要金屬混合少量其他金屬，而高熵合金通常由五種金屬（中熵合金通常由三種金屬）以大致相等的比例混合而成，也因此具有優(yōu)良的性能，如高強度、高韌性和耐腐蝕。
文獻資料顯示，高熵合金概念最早出現(xiàn)于2004年。來自牛津大學的材料科學家Brian Cantor團隊和來自臺灣清華大學的材料科學家葉均蔚團隊，分別在論文中介紹了高熵合金。隨后，高熵合金成為材料界關注的研究寵兒。
論文發(fā)表前，劉棟已經(jīng)做了6-7年的相關極端工況下材料的力學機理研究工作，比如在極端高溫1200攝氏度下，利用三維電子計算機X射線斷層掃描技術，獲得一些航空和核反應堆陶瓷和復合材料的斷裂機理。
在這項研究過程中，不僅需要準確定位所需要使用的設備，并且需要大膽的創(chuàng)新和反復實驗，利用自己掌握的專業(yè)知識，對材料的機理做了深入透徹的研究。
談及實驗難點，劉棟表示，最大的困難就是設計這個實驗。“我們要觀察合金在20開爾文低溫下的斷裂韌性，但是極端低溫開展裂紋擴展韌性實驗本身就很難，我們不僅要設計出能夠符合美國材料實驗協(xié)會標準的試樣尺寸和加載零部件，還需要找到合適的位置來鑲嵌熱電偶準確測量試樣本身的溫度。”
為了觀察到裂紋的生長過程中的相變，劉棟團隊還利用了中子散射來同步測量。她說：“在中子散射同步測量上，英國盧瑟福•阿普爾頓實驗室（RAL）的Saurabh Kabra博士給了我們很大的幫助。我的兩個博士研究生蔣明和Paul Forna Kreutzer對于實驗和數(shù)據(jù)分析也做出了貢獻。他們都是文章的共同作者。”
關于為什么CrCoNi合金成分韌性會比其他合金成分韌性高？劉棟解釋道，其團隊通過研究發(fā)現(xiàn)，這些合金通過變形機制、位錯滑移、層錯形成、納米孿晶和相變的漸進協(xié)同作用，發(fā)展了抗斷裂能力，這些協(xié)同作用可延長應變硬化，同時提高強度和延展性，從而產(chǎn)生優(yōu)異的韌性。
她還透露，如果能夠大批量生產(chǎn)，CrCoNi基合金的潛在應用包括液態(tài)氫的長距離運輸材料、在太空的寒冷環(huán)境下開展工作材料、液化天然氣跨海運輸材料等。另外，這是一項開創(chuàng)性的研究工作，未來可以指導研究人員設計相關耐損傷的材料。
不要被一個專業(yè)禁錮
“如果沒有相關的力學、材料和物理知識，要完成這么高難度的實驗，并完成對材料機理的解讀，是非常困難的。”
12月1日，在接受《中國科學報》記者采訪前，劉棟剛給布里斯托爾大學物理學院大四學生上完一節(jié)應用材料物理學課。她稱，如果學生能具備物理、材料以及力學基礎，他們將擁有非常強大的知識組合，有利于進一步開展科研工作。
劉棟自己就是一位跨界學者。
她本科以學科第一名的成績畢業(yè)于北京科技大學土木工程專業(yè)，這給了她很扎實的力學基礎。她博士畢業(yè)于英國布里斯托爾大學機械工程專業(yè)，主要研究飛機發(fā)動機渦輪葉片表面的陶瓷涂層，在此期間她學習了很多材料和物理知識。
談及為什么要換專業(yè)，劉棟表示：“當時就是想嘗試一個新的研究方向。如果導師覺得我能勝任，那我就會全力以赴。”
她不僅積極投入新領域的學習和研究中，并且在36個月后順利提交了博士論文，期間發(fā)表了近10篇文章。
劉棟在讀博期間，對涂層中的殘余應力以及裂紋的產(chǎn)生和生長模式十分感興趣，希望自己可以在這個方向做更深入研究，但她又沒有急于將自己禁錮于這樣一個特定的研究領域。
博士畢業(yè)后，劉棟申請到項目留在布里斯托爾開展博士后研究工作，她的研究對象是核石墨材料——這種材料主要應用于核反應堆堆心。她在研究中意識到，盡管這一類材料在高溫下工作，但目前似乎還沒有研究能夠實時觀察到它們在這些溫度下是如何損壞和斷裂的。
基于這些研究理念，劉棟向英國1851皇家展覽委員會提交了項目資金申請，免試入選并成為了皇家展覽委員會布魯諾研究員，前往牛津大學開展更進一步的研究。
2016年，她申請到英國工程與物理科學研究基金會研究員項目，成為項目獨立負責人。同年，她免試入選牛津大學Mansfield College Junior Research Fellow。
這些寶貴的經(jīng)歷對劉棟發(fā)展自己的創(chuàng)新研究理念，建立自己的國際合作團隊，并成長為一個獨立的學者起了很大的作用。
2018年，劉棟成功申請到布里斯托大學物理學院永久教職?，F(xiàn)在她已經(jīng)靠自己獲得的項目經(jīng)費建立起了獨立的研究團隊，帶領一支十多人的團隊專門研究各種復雜材料在極端工況下的微觀結構和力學行為。
2022年初，劉棟開始擔任布里斯托大學物理學院材料與器件方向的負責人，并在2022年夏天成功晉升到Reader/Associate Professor職位。
“從土木工程到機械工程，再到物理學，橫跨了三個專業(yè)，因為我不想讓自己的視野局限在一個領域。”劉棟說，“我喜歡學習新的知識，也喜歡探索新領域。”
科學沒有邊界，學習永無止境。
劉棟表示，如今自己帶領的團隊有學化學的、學物理的、學材料的，不同專業(yè)的知識可以讓他們不受單一專業(yè)的禁錮，在探索新事物過程中找到更好的解決方案。
相關論文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2205
標簽： 材料機理
