乔珺威:叩开非晶合金研究的大门

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  专家简介:
  乔珺威,太原理工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师,中国材料研究学会理事,山西省学术技术带头人,山西省青年拔尖人才,山西省优秀青年学术带头人。2005年毕业于石家庄铁道大学(原军校),2011年获得北京科技大学材料科学与工程专业博士学位。2009?2010年,作为联合培养博士在美国田纳西大学学习。
  曾参与国家“863”计划等多个项目,主持国家自然科学基金、人社部择优资助、山西省自然科学基金等项目。曾获2010年教育部高校自然科学奖二等奖、2014年山西省自然科学奖二等奖,应邀在山西省重点实验室联盟青年科学论坛(交叉学科)作专题报告,2014年获得《Who’s Who in the World》知名科学家提名。
  在许多科技论坛中流行着这样一句话:对于硕士生来说至少应该精读50篇文献,泛读100篇文献;而博士生至少应该精读500篇文献,泛读1000篇文献。要问拥有博士学历的乔珺威读过多少篇文章,他只能说多到自己也记不清了。无数的文献积累,激发乔珺威在非晶合金力学性能领域,不断寻觅创新与灵感,因此获得的成果也屡受国内外同行的高度关注。
  专注非晶塑性
  从20世纪80年代起,非晶合金成为国内外材料科学界的研究开发重点。所谓的“非晶合金”,就是由超急冷凝固得到的固态合金,长程无序结构,没有晶态合金的晶粒、晶界存在。但目前,绝大多数单相块体非晶在室温下表现为脆性断裂,即具有极低的压缩塑性,拉伸塑性基本为零。承载时,大块非晶通常在屈服后发生灾难性断裂,限制了其工程应用。究其原因,是非晶屈服后,剪切带快速扩展而引发剪切层内的绝热剪切,极短时间内温度急剧上升,致使剪切软化而迅速断裂。要想解决这一问题,可以通过在非晶基体内引入塑性第二相提高非晶合金的室温塑性,因为塑性第二相可以阻碍和延迟剪切带的扩展。
  乔珺威则成功通过Bridgman型定向凝固技术获得了第二相增韧的非晶复合材料,对比目前其他制备非晶复合材料的手段,该技术可以控制第二相的尺寸大小和体积分数,通过合理调节抽拉速度以获得具有室温拉伸塑性的枝晶增韧的锆基非晶复合材料,断后延伸率超过了7%。该成果发表在Applied Physics Letters 94, 151905 (2009)上,研究成果得到了美国加州理工学院W.L. Johnson院士课题组和美国田纳西大学T.G. Nieh教授的高度关注,并被多次引用和报道。
  他所使用的定向凝固技术相比其他常见的快速凝固技术优势突出,不仅可以调控组织,还可以优化力学性能,被国际同行J. Eckert、J.R. Greer、D.C. Hofmann等研究人员发表在Nano Letters等国际知名期刊上的论文引用,认为该技术是调控和制备均质非晶复合材料最有效的方法之一。
  在此基础上,乔珺威进一步获得了具有室温塑性的轻质钛基非晶复合材料。另外,他和美国芝加哥阿贡实验室合作,通过高能X射线研究枝晶增韧的非晶复合材料,将两相结构进行解析分别得到了两相的衍射图谱,利用半峰宽来表征屈服后不同的变形程度。成果发表在Applied Physics Letters 97, 171910 (2010)上,后被焦点新闻网作为新闻给予报道。随后,Huang等人基于该方法提出了非晶复合材料原位变形机理。
  非晶材料变形机制一探到底
  随着对非晶复合材料原位变形机理研究的步步深入,乔珺威意识到,过去对于非晶复合材料的变形机制主要基于对剪切带数量的简单观测,剪切带越多,塑性越好,但变形的微观机制还不清楚。敏锐地觉察到问题的他立刻投入探究。通过大量研究,他发现,枝晶增韧的非晶复合材料的压缩变形机制,是枝晶内部和两相边界处的局域非晶化、严重的晶格畸变和大量的位错塞积,以使得复合材料展现宏观的塑性变形和加工硬化的原因。
  该成果发表在Scripta Materialia 61, 1087 (2009)上。这是该领域第一篇对室温下具有较大塑性变形的非晶复合材料通过透射电镜进行机理研究的论文。紧接着,乔珺威进一步研究发现,拉伸屈服后的复合材料的变形以枝晶的碎化为变形结构,枝晶内部被剪切带和位错墙分割成细小的亚晶。最后他总结出,枝晶具有大的塑性变形和非晶基体具有高的屈服强度是复合材料获得大的加工硬化的两个必要条件。殊不知,成果在Acta Materialia 59, 4126 (2011)发表后,一度成为该期刊下载次数最多的十大文章之一,目前已经被引用100次。
  两年后,乔珺威的研究再迈上一个阶梯,与台湾国立中央大学E.W. Huang等人合作提出了树枝晶Core-Shell结构对屈服变形的响应机理,论文发表在Scientific Reports 4, 4394 (2014)上,在科学网上点击率超过6000次。
  科研无止境,为进一步证实“树枝晶发生了碎化来承担塑性应变,非晶基体并没有发生晶化,只是起到了协调变形的作用”,乔珺威采用高能X射线技术直接穿透块体样品,获得变形前后结构的体信息,即三维结构信息。实验证明,室温下的拉伸变形不会导致明显的温度变化,也就不会引起晶粒尺寸发生变化。因此,晶粒的细化完全是由于变形导致亚晶的产生,而高能同步辐射技术的应用研究也进一步证实树枝晶发生了碎化。
  到2015年,乔珺威对于非晶复合材料力学性能的优化与变形机理的研究接近有10年的时间了,他荣幸应Materials Science
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