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 中国科学院金属研究所

由表面纳米化研究谈创新思想

材料新视野
2014年10月28日
卢柯，材料科学专家，中国科学院院士。1965年出生于甘肃华池，1985年毕业于南京理工大学金属材料及热处理专业，分别于1988年和1990年在中国科学院金属研究所获工学硕士和工学博士学位。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、研究员、博士生导师。长期从事金属纳米材料及亚稳材料等方面的研究，主要学术贡献包括：发展了一种制备无微孔隙和界面污染的金属纳米材料的新方法——非晶完全晶化法；发现了纳米金属铜在室温下具有超塑延展性；深入研究了非晶态合金的晶化微观机制和纳米晶体的熔化行为及过热机制，建立了过热晶体熔化的动力学极限理论(均匀形核灾变模型)；发展了利用表面机械变形处理实现金属材料表面纳米化的新概念和新技术，并利用此技术大幅度降低了铁的表面氮化温度。这些研究成果在国内外学术界产生了重要影响，丰富并推动了纳米材料的研究。近年来在《Science》等学术刊物上发表论文240余篇，获得发明专利20余项，在国际学术会议上做特邀报告26次。先后被选聘为国际纳米材料委员会委员、国际急冷及亚稳材料委员会委员，在国际<<材料快报>>、<<纳米材料>>等4种国际学术期刊任职。曾荣获首届香港求是基金会“杰出青年学者奖”、国际亚稳及纳米材料年会ISMANAM金质奖章、中国青年科学家奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、第三世界科学院TWNSO技术奖和“桥口隆吉”奖等奖励20余项。
纳米材料具有独特的结构和优异的功能特性，为新一代高性能材料的研究和设计创造了条件。随着对纳米材料优异功能特性认识的不断深入，纳米材料的实际应用已逐步提到了日程。自八十年代初H．G1eiter用金属蒸发——原位冷压法制备出具有清洁界面的纳米材料以来，人们又相继提出多种制备技术。但是由于制备工艺复杂、生产成本高和材料外形、尺寸有限，内部存在界面污染、孔隙类缺陷多等因素的制约，现有的制备技术尚未能在工程金属材料上取得实际应用。
实际上金属材料的多数失稳始于材料的表面，因此只要在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化，就能够通过表面组织和性能的优化提高材料的整体力学性能和环境服役行为。基于对科学技术水平的客观分析，并结合工业上对纳米技术的迫切需求，卢柯研究员于1998年与法国特鲁瓦技术大学吕坚教授联合提出了表面纳米化思想并开展了相应的科学研究。
表面纳米化技术有几个主要的特点，一是采用常规的表面机械变形处理方法(或对其进行改进)即可实现，在工业上应用不存在明显的技术障碍；二是能够大幅度地提高金属材料表面和整体的性能，同时又不明显地损害材料的韧性，解决了块体超细晶(纳米晶)材料强度明显提高与韧性大幅度下降的矛盾；三是能大幅度地降低化学处理的温度和时间，解决了材料低温化学处理这一技术“瓶颈”，为利用低成本的化学处理赋予常规工程金属材料表面高性能和多功能提供一条可行的途径。
表面纳米化的系列研究成果已发表在《Science》和《Acta Materialia》等国际一流的学术期刊上，引起了国内外同行和企业界的广泛关注。在2003年两院院士会议上，“我国金属材料表面纳米化技术和全同金属纳米团簇研究取得突破性进展”被评为2003年中国十大科技进展新闻之一。下面以表面纳米化研究为例，解析创新思想从构思到成功的历程。

冷静思考，不盲目跟随——创新思想的产生

上世纪九十年代，正当人们将关注的目光集中在快速凝固、粉末压实和等通道转角挤压等几种制备块体超细晶材料的方法时，卢柯研究员就在思考一个问题，纳米技术只有与广泛使用的工程金属材料结合，才能发挥出最大的效益，然而当时的制备技术与实用之间还存在着相当大的距离。在寻找纳米技术与工程材料的结合点时，卢柯研究员注意到这样的事实：既然工程材料的失稳多始于表面，那么只要在材料的表面制备出纳米结构，就能有效地抑制失稳的发生；另一方面，表面纳米化采用常规的表面机械变形处理方法(或对其进行改进)就可以实现，在工业上易于应用。正是基于对实际问题和对现有技术水平的客观分析，卢柯研究员与法国特鲁瓦技术大学吕坚教授联合提出并开展了表面纳米化研究。目前，此项技术的科学性和实用性已被大量的实验所验证。

不断挖掘技术的科学内涵——创新思想的发展

卢柯研究员注重在科研工作中挖掘技术的科学内涵，当他制备出理想样品后，很快就发现样品独特结构所蕴藏的学术研究价值：一是样品经过处理后，在材料上形成了表面为纳米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度结构，这种梯度结构实际上反映了材料在塑性变形条件下，由粗晶逐渐细化到纳米晶的过程，因此通过样品横截面组织的观测，可以揭示出塑性变形诱发的纳米化机理；二是利用组织和性能的梯度变化，在一块样品上研究宽尺寸范围内(从纳米到微米量级)的组织与性能关系；三是利用纳米化处理所形成的高体积分数界面来加快化学反应的动力学过程，开发出低成本的化学处理工艺。

通过对表面纳米化技术蕴藏的学术价值的不断开发，卢柯研究员近年来在纳米化机理、组织与性能关系和纳米结构扩散动力学研究方面取得了一批具有较高学术水平的研究成果，不仅确立了我国在表面纳米化研究方向的国际领先地位，也为此项新技术的工业应用打下了良好的理论基础，从而实现了基础研究与应用开发的良性互动。

扎扎实实工作，避免短期行为——高水平成果的产生

科学的发展有一个循序渐进的过程，为避免急功近利思想而导致研究水平低下的问题，卢柯研究员要求科研人员要耐得住寂寞，踏踏实实地就选定方向进行深入细致的工作，不要急于出文章，以避免肤浅的毛病。对于获得的实验数据要反复推敲，并在研究组内进行讨论，再根据大家的意见进行补充和完善，沉稳、坚实的工作必然带来丰硕的成果。卢柯研究员的科研小组已先后在国际一流的学术期刊上发表了多篇高水平的论文，受到国际同行的普遍赞誉，并被大量引用。

倡导团队精神，培养学术骨干——工作延续的基础

科研工作的开展仅靠个人的力量是远远不够的，需要多方面的参与、分工与合作，尤其是一个团队内的精诚合作。在卢柯研究员领导的科研小组内，科研人员和研究生定期举办学术讨论，大家畅所欲言，真诚地就科学问题坦诚地交换意见，于讨论和辩论中相互促进、相互提高，充分体验到团队精神所带来的愉悦和裨益，并从中产生了一些公认的、高水平的学术骨干。这些学术骨干来自团队，受益于团队，脱颖而出后又领导和服务于团队，从而使团队整体保持密切的配合，使科研工作协调的发展，为后续科研工作的开展做好了一定的人才储备。

广泛合作，优势互补——提高研究水平

表面纳米化研究与开发是一项系统工程，涉及到方方面面的知识，任何个人和研究组都难以涵盖所有的专业，只有吸纳多种专业人才共同参与，才能保证系统工作快速、协调发展。继提出表面纳米化设计思想并取得此项技术的知识产权后，卢柯研究员对内仔细地分析了自身优势，确定了本组的发展方向，对外采取了开放式的交流与合作，他一方面多次在国际学术会议特邀报告和其它公开场合中详细介绍表面纳米化的研究进展及有待解决的问题，通过交流拓展了视野，另一方面又与国内外有专业特长的科研院所和企业建立起广泛的合作关系，实现了强强联合、优势互补。正是通过这种真诚的互利合作，使表面纳米化研究队伍不断壮大，这不仅迅速将研究工作提升到了国际水准，也大大地加快了新技术从实验室研究到探索工业应用的步伐。

自开展表面纳米化研究以来，卢柯研究员和他的科研团队已在《Science》和《Acta Materialia》等高水平学术期刊上发表论文30余篇，参编学术专著2部，申请发明专利9项．从这个成功案例中不难发现，正是有这严谨的科学态度、扎扎实实的工作作风、在工作中不断发现和创新的思想及真诚的交流与合作的精神，才使表面纳米化由设想逐渐转变成现实。目前，表面纳米化技术已被国内外同行和企业界公认为“今后几年内纳米材料研究领域最有可能取得实际应用的技术之一”。