探索磁性深邃奥秘 弹奏材料华丽乐章——记2017年度国家自然科学二等奖获得者蒋成保教授及其团队

点击数:    |    加入时间:2018-01-12

探索磁性深邃奥秘 弹奏材料华丽乐章

——记2017年度国家自然科学二等奖获得者蒋成保教授及其团队

记者 孙也程

说起可以受力伸缩的“材料”,我们会很容易想起弹簧和橡皮筋。但我们可能很难想象,有一种金属材料,也能像弹簧和橡皮筋一样伸缩,不过它借助的并不是力,而是磁场作用。这种在磁场作用下伸长缩短的现象称作磁致伸缩效应,其中磁致伸缩应变大的材料,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。

蒋成保自博士研究生起,就开始研究磁弹性材料。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。怀揣服务国家重大战略需求的理念信念,蒋成保自此扎根于磁弹性材料的设计、制备和性能研究,一干就是20多年。

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。蒋成保凭借研究项目“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”,以第一完成人的身份荣获2017年度国家自然科学二等奖,这是对他在磁弹性材料领域辛勤耕耘二十余年的最大肯定。

九层之台 起于累土

蒋成保在实验室

1996年,蒋成保博士毕业,选择了北航材料系作为自己今后成长的地方。九层之台,起于累土,二十余年来,蒋成保及其团队始终瞄准国际学术前沿,紧密围绕国家重大需求,潜心致力于高性能磁弹性材料的研究,在纳米异质结构磁致伸缩效应新机理,热磁耦合马氏体相变新现象和小平面晶体生长凝固理论新发展等方面取得了重要研究成果,成功研制出多种高性能磁弹性晶体材料,并在重大装备研制上获得重要应用。蒋成保在国际知名杂志上共发表SCI收录论文210余篇,包括金属材料领域权威刊物Acta Materialia 5篇、应用物理领域知名刊物Applied Physics

Letters 13篇,合作发表Nature Communications 3篇等,SCI他引近3000次,已授权国家发明专利30项,项目组中一名博士生获得全国百篇优秀博士论文奖。团队先后获得了2005年度教育部自然科学一等奖、2007年度国防科技发明一等奖和2008年度国家技术发明一等奖等。

蒋成保的努力,北航材料学院的师生都看在眼里、记在心里。前段时间,北航在“北京高校脱发排行”的投票中独占鳌头,蒋成保的同事们笑称:“蒋老师刚来北航的时候,头发是非常浓密的,这二十多年,他可是为了北航材料学院的发展‘发光发热’啦。”

面对成绩,蒋成保感慨道,这完全受益于党和国家对高等教育的重视,与国家的快速发展、学校和学院对自己的支持和关怀是密不可分的。同时,业精于勤,学成于思和物以致用团队文化,可谓是成就的基石。

在蒋成保的团队,“业精于勤是每个人坚守的态度,贯穿了团队工作始今。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,在半年内制备了三十多根定向凝固棒材,从中切取了三百多个只有两三个毫米的单晶样品,测量了两千多条压缩曲线,成功获得了超大磁致应变。正是每个人的勤奋工作,才让课题组研究工作快速发展,日益精湛。每每提及往昔,蒋成保都会动情地说:“我们小组真的是一支特别能吃苦、特别能战斗的队伍!”

蒋成保团队一直坚信学成于思”,多讨论和勤思考是他们的工作法宝,是从浩瀚的实验结果中找到打开真理大门的钥匙,是引导他们获得重要科学发现的关键。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。

严谨治学 立德树人

在蒋成保刚来到北航的时候,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。

20多年来,徐惠彬一直在科研方向和重大科学问题研究上对蒋成保及其团队给予悉心指导,在本次获奖项目中,徐惠彬院士也进行了总体指导和方案论证,是项目重要参与人之一。在项目答辩的时候,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,以关心每一个学生为出发点,把立德树人作为自己的根本任务,践行着“德才兼备、知行合一”的北航校训。

尽管科研工作十分忙碌,蒋成保仍然将教书育人视为自己最重要的事业之一。蒋成保主讲的《材料工程基础》课程曾获得北航青年教师讲课比赛第一名。凭借着优秀的科学思想和认真教学的态度,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:“蒋老师讲课很认真,课堂很精彩,板书也很棒。我们以后特别想跟着蒋老师继续学习,为国家航空航天事业发展做出贡献!”

对学生的每篇学术论文,蒋成保都认真反复修改

而对于指导的硕士和博士研究生,蒋成保是他们科研路上的坚定引路人。对学生的每篇学术论文,蒋成保都认真反复修改。“我的第一篇学术论文蒋老师密密麻麻的修改了七遍。”获得全国优博的马天宇回忆道。蒋成保坚持每周固定开三次组会,认真倾听学生们的汇报,进行细致入微的指点,从实验思路的梳理、到每个数据点的绘制、到PPT的制作,他一直跟学生同步思考,力争给予每个学生启发性、方向性的建议。“我认为朝着这个目标做,一定能做出成果来!”他的坚定论断是一支强心剂,总能给同学们信心和鼓励,帮助他们完成自己的研究。

严谨治学,是蒋成保在多年教学科研生涯中感受最深的四个字。他既这样要求自己,也是这样要求团队成员。在这四个字的感染下,团队里每个人都坚持对课题负责,对数据负责,对成果负责,对自己负责以一丝不苟的态度和不畏艰难的精神在科学研究的海洋里徜徉着、成长着。博士生吴伟在他的答辩会上曾说:“在课题组研究的经历让我终生难忘,蒋老师教会我们的严谨治学的精神,会让我受用终身。”

将严谨治学的态度传递给每一位学生,将立德树人作为自己毕生的事业,蒋成保让课题组始终充满活力、茁壮成长,让“空天报国”的火种在材料学子心中燃烧。

一流学科 创新发展

除了蒋成保刚刚获得的2017年度国家自然科学二等奖,在过去的12年里,北航材料学院作为第一完成单位还产生了其他四项大奖。分别是2006年度国家技术发明二等奖《燃气涡轮发动机叶片热障涂层技术研究》、2008年度国家技术发明一等奖《宽温域耐腐蚀巨磁致伸缩材料及其应用》、2012年度国家技术发明一等奖《飞机钛合金大型复杂整体构件激光成型技术》和2016年度国家技术发明一等奖《高温/超高温涂层材料技术与装备》。

夜晚灯火通明的后小楼

蒋成保获奖的消息传来,在为他感到高兴的同时,他的同事还发现了一个有趣的巧合——这五个大奖的团队实验室,全部位于北航4号楼背后的后小楼。偶然的背后总是隐藏着必然,整日灯火通明的后小楼,见证着北航材料学院全体师生员工不忘初心、牢记使命,为建设世界一流材料学科而奋斗的努力。

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。他找准工作思路,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Science和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。

2017年,是国家启动双一流建设的起始之年,蒋成保与材料学院党政领导班子齐心协力,在全院师生的共同努力下,圆满完成了材料科学与工程一流学科建设方案的制定,成功获评一流学科。在刚刚公布的教育部第四轮学科评估中,北航材料科学与工程学科被评为A+,取得了历史性的突破。

“北航的材料学科一定要解决航空航天领域材料方面的重大关键技术。”

博学之,审问之,慎思之,明辨之,笃行之,蒋成保二十年如一日,在科研上一丝不苟,教学上尽职尽责,工作上兢兢业业。他一步一个脚印探索着未知天地的奥秘,弹奏出材料华丽乐章,开拓出属于材料人、属于北航人、属于中国人的一片天地。

编辑:孙也程

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