北京科技大学张勇教授：探索高熵合金 谱写材料新篇
2023-03-09 16:36:54
作者：材料学网 来源：材料学网
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材料是人类制造生产工具赖以生存和发展的重要物质基础，人类按生产和应用的成熟程度把材料划分为传统材料和新型材料，钢铁、水泥、木材、玻璃和陶瓷等用来构筑基础设施和制造机械装备为传统材料，而工程塑料、碳纤维、复合材料、高温合金和钛合金等新型材料用量虽不及传统材料，但往往是现代高端技术赖以实现的重要条件，在宇航、交通、信息、装备制造业和生物医用中都有良好应用前景，在某些情况下，其作用是不可替代的，例如钛合金和高温合金是制约航空发动机性能的关键因素。
进入21世纪，人类对金属结构材料提出了新的要求，研发新材料不仅要适应高技术发展，满足人类高质量生活需求，更要求资源丰富、高效能、低能耗、容易回收，可持续发展。北京科技大学的张勇教授，二十多年来就一直致力于开发新型高熵合金及其复合材料的工程使用性能、探索材料性能和微观亚微观结构的联系以及如何通过工艺来控制微米/纳米级别结构从而改善和优化工程材料性能。还从事非晶合金及其复合材料，BRIDGMAN技术，高通量技术，成分梯度材料方面的研究，为推动我国高合金领域研究做出了重要贡献。张勇1969年生于河北宣化，1991年，张勇毕业于燕山大学原东北重型机械学院，1994年获得北京科技大学硕士学位，1998年获得北京科技大学博士学位。1994年到1998年，在中国核工业总公司202厂实习工作，随后到中国科学院理论物理研究所作物理学的博士后。2000年，张勇进入新加坡—麻省理工学院联盟的微米/纳米系统高新材料学部和新加坡国立大学理学院材料科学系工作。随后访问了英国谢菲尔德大学，利物摩尔大学，牛津大学，剑桥大学，新加坡南洋理工大学等，2012年在美国诺克斯维尔市田纳西大学做高级访问学者。多年的科研沉淀为他打下了坚实的基础，他主要研究领域为高熵材料与物理成分梯度材料与纳米器件纤维复合材料等，在材料学科领域里他如鱼得水，不断攻坚克难、创新突破。早在20世纪90年代，当张勇还是北京科技大学博士的时候，就参加了我国贫铀装甲材料的制备及抗动能穿甲弹性能的研究工作，虽然在此研究工作中需要面临放射性物质的毒害，而且条件极其艰苦，张勇并没有退缩，而是迎难而上、全心全力投入其中。研究过程中，他和同事们发现了装甲板防护性能随着陶瓷和金属体积分数变化的双极值规律，即在金属合金防护机制下随陶瓷体积分数变化防护系数出现一个极值，在陶瓷防护机制下随金属体积分数变化防护系数出现另一个极值。在该课题中，张勇和团队先后制备出了碳化钛，碳化钨，碳化鈾，氮化硅，碳化硅等为基的多孔材料，和并通过压力浸渍复合工艺制备出了贫铀基和铝基复合材料。“双极规律”是张勇科研道路上一项重要的研究成果，随后，在新加坡工作期间，他将主要的研究目标聚焦在非晶合金和高熵合金及其复合材料领域，主要致力于解决这两种材料成为新一代结构和功能材料之前的科学问题。在非晶合金领域，张勇等用共晶生长耦合区原理分析了镧基合金的最优玻璃形成成分和共晶点的关系，发现了微量稀土钇可以显著提高锆基合金的玻璃形成能力。他们利用Bridgman凝固技术，控制锆基和钛基合金中枝晶的分布和形貌，获得了具有室温拉伸塑形的内生非晶复合材料，为非晶复合材料的工程应用提供了可能。熵是无序的一个度量，熵和信息互为倒置关系，高熵合金是基于无序参量发展的合金。由于高熵合金具有突破现有材料性能极限的潜力，因此在材料科学及工程上相当受到重视。张勇的课题组在国内较早开展高熵材料和锯齿行为相关研究，他利用铝元素具有稳定铁素体的金属学原理在面心立方FCC高熵合金基础上，用铝元素消除铜元素的偏析，得到了第一个高强度的体心立方米BCC高熵合金，该合金具有强大的加工硬化率，断裂强度高达3000MPa。首次发现了高熵合金具有抗辐照的特点，无序合金的组织在离子辐照后，缺陷的尺寸和产生率更低。国际上首次利用Bridgman技术制备了高熵合金单晶样品，A10.3CoCrFeNi和A10.3CoCrFeNi2.张勇还提出了信息熵和混合焓比值参量W，用来评价材料的熵值，已被大量文献证明可以有效地预测无序固溶体和非晶相的形成。课题组合成了一系列体心立方米高熵合金，包括ZrNbTiAl NbTiAlTaV TiZrNbMoV AlCoCrFeNiTix，低活化高熵合金WTaFeCrV WTaFeCrNi UNbZrTiMo,还发现了这个含钨高熵合金具有自锐性等。
与国外非晶研究及应用化程度相比，我国的相关研究仍尚有明显差距，作为我国非晶和高熵合金领域的先行者，张勇深知必须加大我国非晶领域科研的进展。目前，除利用高熵概念开发新型AlMgZnCuLi和AlMgZnCuSi系列航空用轻质合金外，他还进行太阳能光热集热器高熵选择性吸收涂层开发的研究，而开发高温稳定的高性能光热转换太阳能选择吸收涂层极为重要，具有相当大的挑战性。张勇课题组采用磁控溅射或分子束外延MBE技术的方法在不锈钢基体上依次镀膜NbTiAlSiNx梯度薄膜，并采用热压烧结技术制备了块体材料，NbTiAlSiN NbTiAlSiC等。在国际上首次研制成功高强高韧高熵合金纤维材料，纤维的结构是仿生竹子纤维结构。合作在《Science》上发表关于鱼骨结构高强高韧高熵合金的文章，发明了高通量开发新材料的技术，按照需求材料的性能指标及其成本要求，首先采用高通量计算，初步筛选材料的成分和工艺，然后采用高通量实验小样品验证，最后把得到的最终材料，进行大样品实验。在高熵合金高通量实验中，发明了物理掩模版和化学掩模版分离小样品技术。天道酬勤，付出的努力和汗水总能换来欣慰的硕果，时间记录了张勇的勤奋，一项项研究成果证实他在材料研究上的天资，这是一份沉甸甸的荣誉。目前，张勇共获得8项国家发明专利的授权，2项美国发明专利的授权，发表学术论文200余篇。2010年出版中文专著《非晶与高熵合金》，2016年合作出版英文专著《High Entropy Alloys Fundamentals and Applications》，该书被台湾国科会评为2019年最具影响力专著。2017年参与英文专著《Magnetic sensor》第一章的编写。关于非晶和高熵合金的研究成果，写入了大学的两部教材《金属材料学》和《非平衡凝固理论与实践》之中。2019年出版中文专著《先进高熵合金技术》，2019年出版英文专著，《Highentropy MaterialsA Brief Introduction》。2005年入选教育部新世纪优秀人才，2011年教育部自然科学二等奖，2016年中国材料研究学会先进工作者，2015年山西省自然科学二等奖《高强高韧金属非晶复合材料的变形机理》，获得2018年国家自然科学奖二等奖《块体非晶合金的结构和强韧化》，2018年教育部自然科学一等奖《高熵合金的相形成规律和组织性能研究》，2018年获得青海省高端创新称号，获得了2019年度《中国科学》《科学通报》优秀作者，2020年参与了英文专著《Engineering Steels and Highentropy alloys》的出版。2021年出版英文专著《Amorphous Alloys and Highentropy Materials》新加坡维泽出版社，2022年出版专著《Highentropy MaterialsMicrostrutcures and Properties》，Intechopen出版社。
几度春风化绸缪，多番秋雨洗鸿沟;黑发积霜织日月，粉笔无言写春秋。张勇不忘初心，为开拓创新科研与教育并进之路飒沓前行。真正的梦想，永远在现实之中，更在坚持之中，张勇作为一位高熵合金在航空和太阳能领域应用的开拓者，一步一个脚印，一个难题又一个难题地攻克，在科研工作中开启了一片新天地。相信未来，他将带领团队，继续为中国材料科学的发展、以及对于民族科技的发展，抒写出更加绚丽的华章。
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