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主题:宁静而致远论文写作 时间:2024-02-01

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晶界工程作为材料科学和工程学科的一个新兴研究方向,在材料研究领域受到普遍关注,而福建工程学院材料科学和工程学院王卫国教授带领的科研团队,则是国内该领域研究的佼佼者,已经取得了诸多可喜的成绩,为我国材料科学理论和材料应用新技术的发展做出了重要贡献.

据王卫国教授介绍,由于晶界是所有多晶材料最重要的结构单元之一,晶界在三维空间构成网状结构,起着一个“网结”所有晶粒的作用,因此晶界的结构和特性所决定的晶界特征以及晶界特征分布对材料整体的性能有重要影响,有时是决定性的.晶界工程,亦称晶界特征分布优化,就是要研究各种晶界的结构和特性及其形成条件和影响因素,通过改变合金化和加工方法获得预定的晶界特征分布,以显著改善材料和晶界相关的各种使用性能,如提高晶界腐蚀和高温蠕变开裂阻力、减少晶界析出相以避免沿晶脆性开裂、减小晶界电阻率以显著提高材料整体电导率,等等.容易理解,晶界工程研究切中材料科学和工程诸多基础问题和前沿热点问题,如熔融金属的凝固及界面推进、形变金属的再结晶形核及晶核和形变基体之间界面的结构和行为、晶界和溶质原子的相互作用、晶界的界面匹配及晶界的结构和各向异性、晶粒长大过程中晶界行为和三叉晶界及晶界四结点之间的关联性、晶界网络的能量分布及涨落和晶界重构的相关性,等等.可见,晶界工程研究是一个复杂的系统工程.

潜心研究,厚积薄发

1988年毕业于兰州大学物理系金属物理专业的王卫国,分别于1994年和1998年在中国核动力研究设计院获硕士和博士学位.之后,前往日本国立金属材料研究所(简称NRIM,该机构约10年前和日本国立无机材料研究所合并成为日本材料科学研究院,简称NMI)开展双边合作交流,从事离子注氢 CeO2原位观察和研究.期间除了完成既定科研任务外,主要是了解到了晶界工程方面的最新进展,同时也做了大量相关资料的收集和整理,为回国后开展晶界工程方面的工作奠定了基础.

2001年王卫国教授回国后,来到山东理工大学任教,同时也开展了晶界工程方面的研究工作.期间,他在国家自然科学基金的资助下主要开展了铅蓄电池阳极板用铅钙基合金和石油化工用奥氏体不锈钢晶界工程方面的研究工作.实现了这两类中低层错能面心立方金属材料晶界特征分布的优化,并基本阐明了其晶界特征分布演化的物理机制,发表相关论文三十多篇.

后来,王卫国教授又到清华大学材料系做了1年的访问学者,主要从事计算材料学方面的研究,涉及原子间相互作用多体势构建、分子动力学模拟和第一性原理计算等.期间,他通过分子动力学模拟观察到了一种非共格∑3晶界向共格转化的新机制,对晶界工程研究具有重要的理论意义.结束清华的访问后,他去了美国卡耐基梅隆大学继续访学1年,主要向Gregory S Rohrer教授学习晶界面取向测定五参数法相关原理和技术,为回国后开展相关研究打下了扎实的基础.

2012年,王卫国教授作为福建省“ 闽江学者计划” 被引进到福建工程学院做特聘教授,四年的时间里,他继续围绕晶界工程开展相关研究,并主要取得两个方面的创新成果.一是基于过去在铅钙基合金晶界工程方面的研究基础,针对遇到的一些问题,继续深入研究,并取得了重要进展.主要体现在:过去他们虽然可以在铅钙基合金中获得特殊晶界占总晶界比例达到80%、∑3晶界占特殊晶界比例也达到80%的晶界特征分布,但∑3晶界中有60%~80%是能量较高的非共格∑3晶界,这样的晶界特征分布,其室温下的晶界腐蚀抗力显著高于铸造态和传统再结晶态的晶界特征分布,但温度一旦超过50℃,其晶界腐蚀抗力急剧恶化,不能满足实际工况需求;针对这一问题,他们又进一步对非共格∑3晶界的形成条件、影响因素及其在退火过程中的行为做了全面深入的研究,对共格和非共格∑3晶界之间的内在关联性做了细致分析,掌握了铅钙基合金中形成大量共格∑3晶界的内在规律,成功掌握了在不降低特殊晶界比例和∑3晶界比例的前提下如何获得共格∑3晶界占∑3晶界比例达到60%~80%之晶界特征分布的关键技术,并准备和企业合作,把这项技术尽快推向应用.二是在国家自然科学基金项目的资助下,开展了高层错能面心立方结构的纯铝及其二元合金以及体心立方结构的纯铁及其二元合金的晶界面取向分布研究,取得了比较全面的基础数据,为晶界过程研究向铝合金及铁素体钢方向拓展开辟了途径,迈出了艰难的第一步.

另外,针对和晶界工程有着密切联系的体视学,王卫国教授也进行了深入分析.他介绍说,体视学的主要特征是以低维测量数据求解高维结构信息,例如以一维测量数据求解二维结构,以二维测量数据求解三维结构.这里一个代表性例子就是金相组织的图像处理.金相组织是一种二维测量,可以通过像素处理,获得组织中每一种物相的面积百分比,在此基础上可以利用体视学原理得到样品的三维实体空间中每一种物相的体积百分比.可见,体视学可以把复杂的三维测量简化为很简单的二维测量,这就是体视学的魅力所在.体视学和晶界工程之间有着非常密切的关系,也可以说体视学极大地促进了晶界工程的研究.前文谈到,晶界构成三维网状结构,晶界特征分布的测定必然是个三维测量.人们最早是利用层磨法来确定晶界位置并估算其结构和性能,但这种方法引入太大的人为误差,很早前就被否定了.后来人们又利用聚焦离子束和电子背散射衍射连续截面测试法来确定晶界结构,但这种方法效率低下,只适用于纳米材料的十分有限的区域进行相关测试表征,未能推广到应用具有通常晶粒尺寸的材料中开展晶界工程研究.当把体视学应用到晶界工程研究中来,才实现了单一截面的五参数分析法,也就是美国卡内基梅隆大学Rohrer教授的基于电子背散射衍射、体视学原理和统计学理论的五参数分析方法.这是简单易行且容易推广的方法,只需在样品的任意一个测试面上测取大量数据后,再通过两次利用体视学,就可以获得样品内部各晶界面取向分布的信息.到目前为止,王卫国教授团队已经获得了相当丰富的实验数据,为后续的研究提供了可靠的参考资料.

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