"青千专家"余倩探秘电镜下的世界

2017-04-27 中国青年报 董碧水

  内容摘要: “用世界最前沿的材料结构表征手段,研究最传统的结构力学问题。”


  “科学是不分国界的,但工程有国界。研究工程,就得明白,是为谁在研究。”因为这样的想法,余倩从美国来到了西子湖畔的浙江大学。

  余倩从事的是传统金属材料与力学性能的关联性研究。内容是“运用多尺度以及原位电子显微镜技术,探索材料中结构与性能的关联性,特别是结合位错、孪晶等微米、纳米级晶体缺陷的结构和运动行为研究与力学数据的实时变化,找到材料力学性能对应的本征变形机理,为理解材料性能和未来材料的性能设计提供理论基础”。

  余倩说,听着拗口,说直白些就是借助先进的电子显微技术,观察不同状态下,材料内部的原子结构变化与变形机制,寻找最适合的材料性能改良方法。“用世界最前沿的材料结构表征手段,研究最传统的结构力学问题。”

  “这是一个神秘的世界。”她解释,材料学是实用性非常强的基础学科,观察、研究材料的组成、结构、工艺、性质以及使用性能之间相互关系,可以为材料设计、制造、工艺优化及其合理使用提供科学依据。既是传统学科,也是前沿科技,研究成果广泛应用在国防军事、航空航天和日常生产生活。

  2014年,余倩回国加入成立不久的浙江大学电子显微镜中心,任浙大材料科学与工程学院特聘研究员,也是浙大当时最年轻的80后博士生导师。

  1984年出生的余倩,在重庆綦江松藻矿务局厂区度过了自己的少年时光。在报考西安交通大学后,仅仅因为招生简章上“材料学”专业被排在第一,她便误打误撞进了这个相对生僻的学科领域。

  余倩说,进校后才知道“材料学”是西安交大的王牌专业。尽管误打误撞,但之后,她的兴趣还是慢慢集中到这一领域。

  2008年,在西安交大读硕期间,余倩第一次接触到“原位力学性能”。硕士毕业,她获得了美国加州大学伯克利分校的全额奖学金,赴美国留学后在2012年拿到博士学位,此后又在美国劳伦斯伯克利国家实验室等科研机构做博士后研究。2014年,她入选国家“青年千人计划”,回国加入浙大电镜中心。

  余倩告诉记者,原位技术给传统金属和结构材料的力学性能研究提供了非常好的方法和手段,解决了许多以前没法理解的问题。“因为这样,基于原位技术的力学性能测试和微结构观察相结合的技术也应运而生”。

  余倩的主要研究包括先进钛合金、镁合金以及高熵合金等金属材料的微观结构,观察、建立这些金属材料的结构与性能之间的关联,探索提高它们性能的新途径。

  第一次接触原位,让余倩很是兴奋。“当时课题很火,因为可以定量描绘力学曲线,观察缺陷运动。”她实时记录力学响应,并且与结构一一对应起来。

  她举例,钛合金中,极微量氧元素的添加会引起异常显著的强化效果,而这一现象用传统的固溶强化理论却无法解释。“但通过对含氧量不同的钛合金进行原子级的缺陷表征和原位透射电镜下的力学测试,发现氧对钛的强化得益于氧和螺位错的特殊作用,这恰恰与对称弹性理论中认为点缺陷与螺位错没有相互作用的观点相悖”。

  “金属学也是一个传统的学科,但由于材料本身的体系复杂和传统试验技术的限制,金属的许多本质机理还没有被完整清晰地认识。”余倩解释,正确认识显微结构和材料力学性能的关联性,这是推动材料性能优化和研发新材料的关键。

  回国后,余倩将原位力学表征技术又运用到了高熵合金等新兴结构材料的前瞻性研究,并与研究生一起,解决了一系列材料中微结构和力学性能的关联性问题。她已30次受邀在国际会议与国际知名高校作学术报告,她的《钛合金中孪晶变形的尺寸效应》作为重要研究结果入选中国高等学校十大科技进展。2016年,余倩获得了“求是杰出青年学者奖”。

  余倩明白,我国高速发展的高科技工业,制造业和国防军工业给先进金属材料发展提出新的要求。“如航空航天发动机研制、开发都取决于这些关键材料的研究水平”。

  “在这些高科技研究领域,我国与发达国家相比存在明显差距。”她认为,其中关键是我国仍未掌握这些高性能合金材料的成熟制备技术和工艺,“而本质是无法清晰认识材料微结构和力学性能的关联性,导致在材料研发制备方面欠缺理论指导”。

  余倩说,这是目前制约我国这类关键性战略材料发展的瓶颈性难题。她希望能攻克这些难题,并在电镜下,去探索和解决一个又一个的新问题。

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