微信关注
中国科技创新人才
勇攀高峰 解析磁弹性材料奥秘——记2017年度国家自然科学奖二等奖获得者、北京航空航天大学蒋成保教授及其团队
作者:郭 晶时间:2018-02-04 15:16 来源:《中国科技人才》杂志

个人简介:蒋成保,北京航天航空大学材料学院院长,国家杰出青年基金获得者,教育部长江学者特聘教授,长期从事新型磁弹性材料研究。承担了国家自然基金重点项目、国家“973”课题等项目20余项。在《自然—通讯》(Nature Communication)等SCI期刊发表论文210余篇,SCI他引近3000次,授权发明专利30项,做国际会议邀请报告20余次。获北京市教学成果一等奖、国防技术发明一等奖、国家技术发明一等奖、国家自然科学二等奖各1项。2012年创新人才推进计划领军人才入选对象

2018年1月8日,2017年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂隆重举行,蒋成保以“新型磁弹性材料的功能调控、晶体生长和大磁致应变特性研究”这一研究项目的第一完成人身份荣获2017年度国家自然科学二等奖。这已经不是蒋成保第一次登上人民大会堂的领奖台了,早在2008年蒋成保就曾获得过国家技术发明奖一等奖,同样是在磁弹性材料领域的研究成果。

什么是磁弹性材料?弹簧和皮筋可以在力的作用下伸长缩短,而磁弹性材料则是一种能够在磁场作用下伸长缩短的金属材料,这种在磁场作用下伸长缩短的现象称作磁致伸缩效应,其中磁致伸缩的材料,叫磁致伸缩材料,又称为磁弹性材料。磁弹性材料具有纳米级高精度和毫秒级高响应的特点,在太空望远镜等光学系统、空间飞行器姿态控制和主动减振系统、高速开关阀、空间激光通讯、水下通讯、石油增采、机器人及精密机械加工等具有重要应用前景,对技术装备升级换代具有重要意义,是21世纪高新技术的战略性功能材料。

蒋成保怀揣着科技强国梦,在磁弹性材料领域的研究已有20余年,我国在磁弹性材料领域起步晚、发展慢,严重制约了相关领域的发展。对他来说,最重要的就是自己所做研究成果能够为中国的强盛作出贡献。

 

坚持不懈 实现科技强国梦

巨磁致伸缩材料是一种特种功能材料,在磁场作用下产生伸缩。自20世纪70年代,美国就开始对其进行应用化研究,并把高性能巨磁致伸缩材料Terfenol-D列为严格禁运的战略型材料。

在蒋成保进行巨磁致伸缩材料研究项目期间,没有可供借鉴的参考资料和技术支持,这就决定了对其的研究将是一项漫长又充满困难和挑战的工作,一切都要在探索中进行。刚开始,因为经费紧张,也没有现成的设备,做实验所需要的温度、预压应力和磁场的热、力、磁耦合作用环境箱,都是蒋成保和课题组成员自己动手做。他们自己缠线圈来提供磁场环境,1998年大年三十的前一天,他们还顶着寒风,蹬着三轮车把液氮罐和线圈送到厂家去联合加工。

蒋成保每天大部分时间都是在实验室度过的,查资料、做实验、测数据。他奔波在材料制备和性能表征的第一线,与课题组成员和研究生共同制定技术方案,研究技术细节,攻克了一个又一个技术难题。

“空间环境非常极端,面向太阳的一面,温度高达100多度,而背向太阳的一面却寒冷无比,温度低至零下80度左右。”蒋成保解释道,Terfenol-D使用温度范围窄,海洋环境下极易腐蚀,根本不能满足空天大温差环境及海洋环境下装备的服役要求。

在夜以继日的努力下,他们终于成功自主研发了宽温域与耐腐蚀巨磁致伸缩材料,这一材料使用温度范围比Terfenol-D扩大1倍以上,低温磁致伸缩性能提高4倍,高温性能提高40%;发明了耐腐蚀巨磁致伸缩材料,耐腐蚀能力比Terfenol-D提高了10倍。这一研究成果作为“宽温域和耐腐蚀巨磁致伸缩材料及其应用”的重要组成部分,摘得2008年度国家技术发明奖一等奖的殊荣。

“我国航空航天事业的快速发展,对智能材料的要求越来越高。”为了研究出能够满足在大温差空天环境下工作的巨磁致伸缩材料,蒋成保和他所在的课题组付出了艰辛的努力和不懈的追求。蒋成保自豪地笑着说,“我们的研究能够满足于国家的重大需求,尤其是航空航天领域对智能材料的需求,应用到航空、航天和国民经济建设中,所有的付出都是值得的。”正是蒋成保在磁弹性材料领域的坚持不懈,从10年到20年从不轻言放弃的精神,才使得他2018年又一次站在了人民大会堂的领奖台上,离他心中的科技强国梦更进一步。

 

团队精神照亮科研之路

业精于勤、学成于思和物以致用的团队精神是蒋成保团队成功的基石。在蒋成保的团队,“业精于勤”是每个人坚守的态度。蒋成保总说:“我们小组真的是一支特别能吃苦、特别能战斗的队伍!”磁性形状记忆合金作为一种应变潜力更大的新型磁弹性材料,是蒋成保和他的团队的研究重点。团队中的王敬民自2003年读硕士研究生起,就一直参与磁性形状记忆合金的研究,在没有单晶炉和单晶定向仪的情况下,他和硕士生邓丽芬利用实验室仅有的定向凝固炉,在半年内制备了30多根定向凝固棒材,从中切取了300多个只有两三毫米的单晶样品,测量了2000多条压缩曲线,成功获得了超大磁致应变。团队中的每个人都是这样,不管条件如何艰苦,都勤奋不怠,让课题组得研究工作开展迅速,日益精湛。

“学成于思”,多讨论和勤思考是他们的工作法宝。新型铁基磁致伸缩材料力学性能好,但磁致伸缩性能低,如何提高其性能是国际研究热点。这种新材料不同于传统的磁致伸缩材料,存在微量的纳米相。蒋成保带着王智彬、朱小溪、吴伟和贺杨堃等博士生翻遍了国内外文献资料,没有一种磁致伸缩机理能够对其进行合理解释。他们深入思考、细致讨论,决定从这种微小不起眼的纳米相入手,发现了“纳米异质结构”磁致伸缩效应新机理,由此提出了微量固溶稀土元素的新思路,将铁基材料的磁致伸缩性能提高了5倍,发展出了新一代铁基巨磁致伸缩材料。最初研究磁性形状记忆材料时,在实验室没有磁测量设备的情况下,蒋成保巧妙地在仅有的一台热分析仪上挂了两个磁铁,同步测量马氏体相变和磁性转变,发现了两种转变共同发生的热磁耦合相变新现象。如今,热磁耦合马氏体相变已成为国际研究热点。蒋成保和博士生马云庆、硕士生冯根还发现,马氏体相变温度与电子浓度存在显著关联性。经过严密论证,他们通过成分调控将NiMnGa合金的马氏体相变温度调节至500℃,获得了高达6%形状记忆效应,而且热循环1000次后几乎不变,从而获得了一种具有高度热稳定性的高温形状记忆合金,被国际上评价为“完美的记忆效应”、“优异的合金”。

蒋成保一直强调,一定要做有用的创新,所谓“物以致用”。如何使磁弹性材料在应用中发挥重要作用,深深的镌刻在了每位团队成员的心中。磁弹性材料要获得实际应用,生长出高性能晶体是关键。然而磁弹性材料晶体生长机制复杂,在生长过程中,控制固液界面形态是难点。抱着“物以致用”的坚定信心,蒋成保带领徐立红等博士生,为了建立描述固液界面形态和工艺参数以及材料热物性之间关系的方程式,曾经连续数周,经常从早上讨论到凌晨,寻找边界条件,反复推导,不断修正。终于在2004年的一个凌晨,推导出了一个令人兴奋的方程式,依据这个方程式,通过对工艺参数的调控,生长了多种磁弹性材料的单晶。然而,应用中晶体尺寸小了还不足够,还必须要生长出大尺寸晶体。多年来,蒋成保指导的博士生、现已留校任教的刘敬华一直在忙碌中度过,初期生长的大尺寸晶体性能很不稳定,刘敬华和成员们废寝忘食,反复推敲每一个工艺细节,终于克服了关键技术问题,成功生长出了性能稳定的大尺寸磁弹性晶体材料。巾帼不让须眉,在团队中从事磁弹性材料应用研究的张天丽老师自学了“十八般武艺”,精研电子、控制、机械、精密仪器等学科的知识,研制出了多种高精度磁致伸缩器件,开发出石油增采应用的大功率磁致伸缩换能器,实验室石油采收效率提高10%以上。

 

治学师承 建设一流学科

蒋成保刚来北航的时候,为了能让他尽快开展研究工作,时任材料系主任的徐惠彬教授为蒋成保争取了宝贵的实验室空间,又自筹经费购买了磁悬浮熔炼炉、晶体生长炉等关键设备,初步搭建了磁致伸缩材料研究平台。

在本次获奖项目答辩时,有一位专家曾抛出一个尖锐的问题:“这个项目的8篇代表作里,有3篇的通讯作者都是徐惠彬院士,为什么他却不是完成人呢?”作为项目推荐专家出席答辩会的徐惠彬院士回答道:“具体工作是年轻人做的,我认为我的贡献不如他们大。”

关心关爱青年教师和学生的成长,是徐惠彬院士一以贯之的做法。蒋成保耳濡目染,将关心学生、教导学生的传承精神延续下去,践行着“德才兼备、知行合一”的北航校训。他的本科生课程《材料制备原理与工艺》获得了学生们的一致好评,激发了学生为国家航空航天事业发展做贡献的爱国情怀。

在过去的12年里,北航材料学院作为第一完成单位共获5项国家奖,实验室恰恰都位于4号楼背后的后小楼,整日灯火通明的后小楼,见证了北航材料学院全体师生的努力。

2014年,在北航材料学院60周年院庆之际,蒋成保开始担任材料学院院长职务。他明确了北航材料学院的定位是“服务国家重大战略需求,引领国际学科前沿”,在发挥优势学科方向的同时,积极开展新型科学方向的研究。他极其重视人才战略,致力于在引进培养高端人才的同时,引进青年人才。2017年,学院新报到3名青年千人,同时新获批1名青年千人,目前共有8名青年千人高端人才在学院工作,为学科的进一步发展奠定了基础。他着力提升人才培养质量,尤其重视提升本科生教学质量,强调高端人才要给本科生上课,通过课堂教学督导以及小班化的教学方式,不断提升课堂教学质量。他们还自筹经费推动本科生教学实验室建设,为本科生做实验提供优质条件。

在科学研究方面,蒋成保重视加强基础研究,近年来材料学院每年都获批国家自然科学基金重点项目,发表在《科学》(Science)和《自然》(Nature)子刊等的高质量论文数明显提升。他还致力于提高材料学院在国内和国际上的重大影响力,每年接待30余位国际学者来访和讲学,举办多次国际学术交流论坛,不断提高全院教师和学生的学术水平。2016年,以材料学院为主体申报的教育部和国家外专局共同资助的“111计划”空天先进材料学科创新引智基地获批立项建设。

蒋成保20多年来严谨做科研,尽责教学生,工作有担当。他解析着充满奥秘的磁弹性材料,一步一个脚印完成自己心中一直坚持的那个科技强国梦。