新晋院士重大突出性成果盘点：国内外对这些成果的评价有多高？

11月18日，国内两院院士增选结果出炉，其中科学院院士共65人，工程院院士84人。作为各级研究领域的“学霸”，当选院士不但意味着对其科研成果的肯定，而且对于所属单位，也是一件无比骄傲的事情。当选院士则意味着重大突出性科研成果，或者在工程领域的巨大贡献。笔者注意到，今年在金属材料工程领域，西安交通大学的孙军教授和南京理工大学的陈光教授成功当选了中国科学院院士。金属材料作为最基础也是最重要的材料，几千年来一直伴随着人类文明的进步。在可见的未来，金属材料也一直是事关国防民生的重大基础性材料，大到航空航天航海，小到老百姓的盆盆罐罐，金属都有很普遍的渗透。新中国成立以来，我国在金属材料的研发与生产方面走在了国际的前列，但是一些高端部件仍然被国外发达国家掣肘。接下来，笔者给大家要展示的是孙军，陈光两位新晋中科院院士在金属材料界的重大科研成果。

1. 院士简介

孙军：1959年2月出生于吉林省长春市，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室主任，金属结构材料专家，长期从事金属材料形变相变与强韧化的研究。曾获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、国家级教学成果二等奖及中国高校十大滚球体育 进展等奖项。孙军教授针对合金强韧性之间呈倒置关系这一重大难题，在合金强韧化理论与应用等方面做出了系统性创新成果。提出了异质界面强韧化的新思路，建立了合金多尺度第二相耦合强韧化模型，发现了金属形变孪晶和纳米多层膜微纳柱体强度的显著外观与内在尺寸效应，据此发明了几种高强韧合金与纳米多层膜的制备技术，并实现了规模化应用[1]。

陈光：国防滚球体育 创新特区重点项目首席科学家，享受国务院政府特殊津贴专家，全国创新争先奖获得者。硕士和博士分别毕业于华中理工大学和西北工业大学。第一主研人主持完成的成果中，荣获国家技术发明二等奖1项，教育部技术发明一等奖1项，江苏省滚球体育 一等奖2项，省部滚球体育 进步二等奖4项、三等奖1项，江苏省专利发明人奖1项、中国产学研合作创新成果奖1项，国家专利优秀奖2项以及IWAM-Distinguished Award。授权国家发明专利70项，国际发明专利3项[2]。研究方向为：1.受控凝固与新材料；2.金属材料与冶金工程；3.先进航空航天材料；4.新型金属与先进复合材料；5.金属间化合物与非晶合金；6.材料结构与相变。

2. 重大科研成果盘点

2.1 孙军院士成果盘点

(1) 2010年1月21日,孙军教授团队发现了密排六方钛单晶中变形孪晶的强烈晶体尺寸效应，该工作发表在英国《Nature》杂志上。国际权威学者在《Nature Materials》上为此发表专题评述，认为该结果颠覆了长期以来人们的直觉。以上述工作为代表的研究成果被评选为2010年度“中国高等学校十大滚球体育 进展”，

(2) 研究项目“高性能钼合金材料制备关键技术及其应用”获国家技术发明二等奖.该项目针对钼合金所固有的室温脆性，强度低以及脆性差等本证特征，导致其深加工困难，产品性能低，导致其应用受限。发明了纳米掺杂钼合金材料制备关键技术，突破了同步提升钼合金强度，塑性和韧性三大瓶颈问题。大幅度提升了钼合金的高温再结晶温度和使用寿命，是我国成为迄今为止唯一掌握该技术并实现产业化的国家。教育部组织的鉴定认为：该成果创新性强，在关键技术上取得重大突破，特别是所研制的钼丝、钼舟和钼电极的力学性能和使用寿命超过了国内外同类产品，处于国际领先水平。该项目已在金堆城钼业公司实现了规模化生产，取得了显著的经济与社会效益，并大幅度提高了我国钼合金产品的技术附加值和更新换代速度，以及我国钼合金产业的创新能力和国际竞争力。金堆城也实现了由大型钼资源企业向世界钼金属深加工产品制造业三强之一的跨越。

（3）“主动适应多元需求，因材施教个性发展，培养特色鲜明的材料类高层次人才”荣获国家级教学成果二等奖。

（4）在Nature,Science,Nature Materials, Nano Letters,等国际一流学术期刊上发表论文170余篇，以第一发明人获得17项授权国家发明专利。

（5） 高水平论文盘点

A、密排六方钛单晶中变形孪晶的强烈晶体尺寸效应

晶体中的变形孪晶是一个高度共格的非弹性剪切过程，它控制着许多材料的力学行为，但其起源和时空特征仍是一个谜。通过微压缩和原位纳米压缩实验，本文发现钛合金单晶的变形孪晶所需要的应力随着试样尺寸的减小而急剧增大，直到试样尺寸减小到1微米。在此之下，变形孪晶完全被关联性较小的普通位错塑性所取代。随着变形机制的转变，亚微米尺寸矿柱的最大流动应力达到饱和值，接近钛的理想强度。本文还建立了一个“受激滑移”模型来解释变形孪生的强烈尺寸依赖性。

图1 钛单晶扫描电镜图像的变形微柱和EBSD极图^[1]

B、具有连续电偶极旋转的超弹性铁电单晶薄膜

利用无损剥离技术和Sr₃A_l2O₆作为基底大面积制备了BaTiO₃薄膜。制备的BaTiO₃薄膜在原位弯曲测试过程中能折叠约180°，表明其具有超高弹性和柔韧性。此外，通过计算发现，BaTiO₃薄膜的弹性是由于纳米级的铁电畴运动所导致。在压力较大时，BaTiO₃薄膜的内部能量分布发生改变，使得电偶极子在a和c纳米级的铁电畴之间发生连续旋转，形成了具有铁电性质的连续区域。该变化进而解释了晶格错配造成的应变能，有助于增强铁电薄膜的柔韧性。该铁电类材料有助于用于柔性传感器、电子皮肤等柔性器件领域。

图2 BaTiO₃铁电薄膜的连续弯曲晶格在原子尺度上的分布^[2]

2.2 陈光院士

（1）新型合金材料受控非平衡凝固技术及应用

该技术于2016年获得获国家技术发明奖二等奖，从凝固与结晶学的基本原理出发，提出了基于非平衡效应调控凝固过程的新思路，发明了在液固两相区调控先析出相形貌尺度的方法和半固态快冷顺序凝固新技术（SSPS），攻克了动力学快冷非平衡凝固组织性能均匀、无缺陷的材料制备难题，实现了从平衡到极端非平衡凝固组织的控制及内生复合。

（2）0°钛铝PST单晶制备

利用定向凝固技术成功获得0°钛铝PST，将钛铝合金的使用温度提高约150℃，引起国内外广泛关注，相关论文在线发表1个月内，下载量超过5000次，居该刊之首，也是 2016年NatureMaterials作为重大成果发表的10篇封面论文中唯一一篇来自中国的论文。NatureMaterials还配发了国际权威专家的专题述评文章，指出：陈等的工作为钛铝合金在更高温度的广泛应用做出了重要贡献。

（3）高水平论文

TiAl基合金是一种新兴的金属间化合物结构材料。具有低密度、高比强度和比弹性模量，高温时仍可保持较高强度的同时具有良好的抗蠕变及抗氧化性能。这使其成为航天、航空、汽车发动机等耐热结构件的理想材料。因此，世界各国研究者都在大力开发 TiA1 合金。然而 TiA1 合金的短板是其塑性非常低，室温延伸率通常小于2%，严重限制了它的实际应用。针对这一国际性难题，南京理工大学材料评价与设计教育部工程研究中心陈光教授团队经过长期的研究，制备出了0° PST TiAl 单晶，性能上实现了新的大幅度跨越。PST TiAl 单晶材料室温拉伸塑性和屈服强度分别高达6.9%和708MPa，抗拉强度高达978MPa，实现了高强高塑的优异结合。更为重要的是，该合金在900℃时的拉伸屈服强度约为637MPa，并具优异的抗蠕变性能，相关成果《Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications》于2016年6月20日在线发表于Nature Materials(《自然材料》)。其最小蠕变速率和持久寿命均优于4822合金1~2个数量级，有望把目前 TiAl 合金的使用温度从 650~750℃ 提高到 900℃ 以上。北京航空材料研究院曹春晓院士指出：“通常，镍基单晶高温合金的承温能力每提高25~30℃，即为一代新合金。陈光教授团队发明的 TiAl 单晶合金，一下将承温能力提高了150~250℃以上，是重大突破，属引领性成果。这项关键材料技术诞生于我国，是我们国家和民族的骄傲与自豪！

图3 PST单晶显微组织示意图^[3]

参考文献：

[1] http://mse.xjtu.edu.cn/info/1013/6415.htm.

[2] https://smse.njust.edu.cn/b5/5b/c10228a177499/page.htm

[3] Qian Yu, Zhi-Wei Shan, Ju Li et al. Strong crystal size effect on deformation twinning. Nature, 2010.

[4] Guohua Dong, Suzhi Li, Mouteng Yao et al. Super-elastic ferroelectric single-crystal membrane with continuous electric dipole rotation. Science,2019.

[5] Guang Chen, Yingbo Peng, Gong Zheng et al. Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications. Nature Materials,2016.

本文由虚谷纳物供稿。

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