立足原始創新,面向學術前沿
——金屬材料強度國家重點實驗室(西安交通大學)

立足原始創新,面向學術前沿
——金屬材料強度國家重點實驗室(西安交通大學)

金屬材料強度國家重點實驗室的前身是1963年高教部和國家科委批準成立的西安交通大學金屬材料及強度研究室,1981年改成西安交通大學金屬材料強度研究所,1985年國家教委又批準成立西安交通大學金屬材料強度部門開放實驗室,1990年利用世界銀行貸款進行建設,1995年4月通過國家驗收成為國家重點實驗室,并面向國內外開放。實驗室分別于1997年、2003年、2008年3次以良好的成績通過科技部組織的國家重點實驗室評估。

實驗室依托于西安交通大學,學科基礎是首批一級國家重點學科:材料科學與工程,含材料學、材料加工工程、材料物理與化學、材料服役工程安全學共4個二級學科,并與凝聚態物理固體力學、無機化學等多學科相交叉,是一個材料科學基礎研究和應用基礎研究、聚集和培養優秀材料科技人才、開展高水平學術交流、裝備先進科研設施的重要基地。實驗室設有材料性能與結構分析測試中心,擁有非常完備的材料制備、性能測試、分析表征等手段和系統。并依托實驗室成立了納米薄膜與生物材料、多學科材料和微納米尺度材料行為3個研究中心。實驗室在國家和西安交通大學的大力支持下,經過全室人員的共同努力,近年來實驗室在整體規模、隊伍建設、條件建設和科研水平方面都得到了很大的提高。

科研隊伍與研究特色

金屬材料強度國家重點實驗室把建設一支結構合理、人員精干的高水平科研隊伍放在重要位置,特別強調對優秀中青年人才的吸引、選拔與培養,進一步完善人才引進、遴選、培養等競爭激勵機制,使得實驗室在匯聚了一批優秀中青年學術帶頭人的同時,培養了一支以具有博士學位年輕教師為主的科技隊伍。實驗室現有固定人員49名,其中中國工程院院士1名,國家千人計劃入選者2名,教授28名。具有博士學位的人員占總人數的85.7%,50歲以下中青年研究人員超過70%。實驗室十分重視引進優秀留學人員來室工作,先后吸納美、日、英等國的優秀人才6名。實驗室50歲以下的優秀中青年人才包括長江學者4名,國家杰出青年科學基金獲得者4名,國家“973”計劃項目首席科學家1名,國家科技二等獎第一獲獎人4名,教育部跨/新世紀人才15名。實驗室現任主任由孫軍教授擔任,學術委員會主任由周廉院士擔任。實驗室共有27人兼任各種學術機構的委員、理事、理事長、學術期刊編委等職務。

金屬材料強度國家重點實驗室的總體研究方向和特色是以力學性能為主要指標的材料設計和工藝優化。即著重于研究材料的力學服役行為及其與制備工藝、成分、結構、性能等的相互關系;在此基礎上,研究不同服役條件下材料的合理力學性能評價指標和判據,并將其用于指導獲得最佳服役效果的材料成分設計和制備工藝技術。實驗室的研究重點為根據材料的服役行為和使用要求,提煉表征材料基本屬性的性能參量,研究恰當的評價方法和判據指標,把握材料成分、組織、性能三者關系,在實際應用中檢驗并反饋于材料設計和工藝優化。實驗室目前有以下4個主要研究方向:材料力學行為的表征與評價,表層與界面材料及性能表征,高性能材料及其應用,嚴酷工況下材料服役性能。這4個研究方向,從基礎研究、到關鍵技術開發和應用,構成了一個內在聯系緊密的有機整體?；A研究瞄準學科前沿和高水平國際合作與交流,促進學科發展;關鍵技術開發和應用研究,服務于國民經濟和國防建設的重大需求,充分體現了基于已有學術傳統的國際學科前沿與國家目標的統一。

研究成果與科研裝備

金屬材料強度國家重點實驗室在堅持原有研究特色和方向的基礎上,不斷地追求和探索新的學科領域和研究方向,強化學科和科學研究的交叉與融合,堅持科學研究的前沿性、創新性、系統性和深入性。2003～2008年間,實驗室共承擔各類科研課題354項,科研總經費6180萬元(實際到款數),其中國家“973計劃”項目11項(作為首席科學家單位主持1項),國家“863計劃”12項(作為項目負責人單位主持重點項目1項),國家攻關計劃項目1項,國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金杰出青年基金、重點項目和面上項目等各類項目54項、國際合作項目25項(含國家自然科學基金重大國際合作項目2項,國家外專局、教育部首批“111”引智計劃項目1項),橫向協作196項。在以下幾方面研究取得重要進展:①建立了多尺度特征微觀結構對金屬材料力學性能耦合影響的物理模型,提出了多重結構設計的強韌化方法并在鋁合金和鉬合金中得到應用;②提出了薄膜界面動態結合強度概念及表征參量,建立了薄膜屈服強度的理論,研制出具有完全知識產權的等離子化學氣相沉積薄膜材料工業設備;③提出了高溫抗磨材料組相的高溫穩定性協同控制新概念,發明了多元微合金化實現高鉻鑄鐵碳化物與基體組織高溫穩定性協調配合的方法,大幅度提高了高溫抗磨材料的使用壽命;④提出了高性能高壓開關銅鉻觸頭材料綜合性能優化和設計原則,闡明了殘余碳對觸頭綜合電性能影響機理,解決了我國中高壓真空開關觸頭材料長期依賴進口的難題;⑤建立了熱噴涂涂層性能與層狀結構參量之間的關系,提出了噴涂粒子高速碰撞沉積機制模型及其基本規律,得到學術界的廣泛認同。上述重要的研究進展和成果先后榮獲包括國家和省部級科技獎勵數10項,其中2005至2008年連續以第一獲獎單位分別獲得國家技術發明二等獎2項,國家科技進步獎和國家自然科學二等獎各1項。五年來獲國家發明專利66項;發表的論文被SCI收錄的有672篇,其中單篇他引頻次最高的為46次,在影響因子為3以上的雜志發表的論文就有44篇,包括Nature Materials材料科學領域國際主流學術刊物1篇、Phys RevLett 1篇、App PhysLett 11篇、Acta Materialia 9篇Phys RevB 4篇等,學術論文的影響力日益增強。特別是孫軍教授等完成的“孿晶變形的強烈晶體尺寸效應”一文,發表于2010年1月21日出版的《Nature》雜志,在材料力學行為尺度效應的研究方面取得突破性進展。

金屬材料強度國家重點實驗室在“211”工程和“985工程”支持下,積極推進實驗室硬件條件建設,近5年來先后向實驗室投入3800萬元,購置了JEM-2100F高分辨透射電鏡(668萬元)、JEM-6700F場發射掃描電鏡(250萬元)、UH VDS M-II超高真空沉積和成分應力測量系統(580萬元)、PAS-III等離子活化快速燒結爐(276萬元)、X’Pert Pro型X射線衍射儀和SF M-III應力儀(360萬元)、NanoXP納米壓入儀(270萬元)、MTS Tytron 250微小力試驗機(140萬元)等設備,建立起良好的科研環境,具備有較完整的從材料合成、組織結構分析、性能測試到計算模擬的各種能力。實驗室重視有研究特色的重要裝備自主研制和開發,如PCVD脈沖等離子氣相沉積設備(獲國家863計劃資助并通過驗收)、霍爾源激勵磁控濺射增強型多弧離子沉積設備(獲2004年國家攻關計劃資助并通過驗收)、大功率微弧氧化設備(獲2006年國家863計劃資助)等均為實驗室自主研制的。同時,實驗室注重對大型分析測試儀器的新功能開發,如在“納米壓入儀”上附加了循環疲勞加載軟件與裝置,用于研究材料的介觀性能和尺度效應;在“掃描電鏡”上設計并附加了熱循環加載裝置,用于研究金屬薄膜的熱應力循環疲勞壽命;在“UHVDS M-II超高真空沉積和成分應力測量系統”上設計并附加了抗電遷移裝置,提高了成分應力測量精度;在“微力試驗機”上設計并附加了力、電、熱多場靜加載與循環加載裝置,用于研究金屬薄膜的力學性能。為了確保儀器設備的良好運行,實驗室還配備有一支高素質的實驗技術隊伍,專門負責大型精密設備的使用,并積極面向社會開放,其中大型分析測試儀器的共享率在40%～50%。

對外開放與學術交流

按照國家重點實驗室開放、流動、聯合與競爭的運行機制,利用設備及技術上的優勢,實驗室通過實行對外開放課題和訪問學者制度,吸引國內外高水平研究人員來實驗室開展合作研究。同時十分注重與國內外企業的合作,承擔國內外企業、學校和科研單位的材料科學研究、性能檢測及結構分析等工作。積極向國內外研究人員開放,設立實驗室開放課題基金,面向國內外學者發布項目申請指南,吸引和聚集國內外高水平知名科學家和學者來實驗室開展實質性合作研究或學術交流。自1995年對外開放以來,實驗室先后設立開放課題14批,有34位來自美、日、歐洲等國家和地區著名研究機構的優秀研究人員來室工作。實驗室人員積極參與國內外學術交流,近5年來參加國際會議超過100人次、國內會議超過200人次、出國講學20人次,6人次在國際重要學術會議作大會特邀報告。實驗室先后成功舉辦了包括“第十四屆國際材料強度大會”和“第七屆國際殘余應力會議”在內的多次全球性和全國性學術會議,其中2006年召開的“第十四屆國際材料強度大會”是材料強度學界最權威的國際會議,始創于1967年,每三年舉辦一次,這是第一次在中國召開,有220余位境外代表參會,包括許多該領域的國際著名權威學者。

金屬材料強度國家重點實驗室注重邀請國外知名教授來本室講學,近5年來共有來自日本國立物質材料研究院美國標準技術研究所、美國LosAlamos國家實驗室、美國橡樹嶺國家實驗室、韓國工業科學技術研究所、美國麻省理工學院、美國密歇根大學、美國Akron大學、美國俄亥俄州立大學、美國賓夕法尼亞大學、美國約翰霍普金斯、日本東京大學、日本筑波大學、日本東北大學、日本大阪大學、日本豐橋科技大學、日本信州大學、德國慕尼黑工業大學、德國哥廷根大學、德國Darmstadt工業大學、丹麥瑞瑟可再生能源國家實驗室、西班牙巴塞羅那大學、加拿大多倫多大學、西澳大利亞大學、韓國國立慶尚大學、韓國漢陽大學、韓國鮮文大學、香港大學等國際著名大學和研究機構的學術大師及著名學者45人次來實驗室講學。國際表面工程權威專家、英國皇家學會院士、中國工程院外籍院士Tom Bell教授應邀來實驗室長期工作,在實驗室組建了表面工程國際研發中心,這是外籍院士到中國全職工作的第一人。國際馬氏體相變權威專家、日本筑波大學Otsuka教授應邀來實驗室長期工作,與任曉兵教授共同組建了多學科材料研究中心;加拿大McMaster大學終身教授、美國工程院院士Embury,加拿大多倫多大學王執銳和女王大學終身教授Boyd均應邀來實驗室工作,為實驗室研究生主講“材料力學行為”課程和“疲勞與斷裂”等學位。此外,實驗室還建立了與國外研究機構合作和聯合培養制度。與日本國立物質材料研究院聯合建立“多學科材料研究中心”和研究生聯合培養項目。這是一個致力于學科交叉融合的“科研特區型”材料研究機構,旨在推進中國的跨學科材料研究及培養國際水準的科學研究人才。雙方合作成果十分顯著,已初步形成一個國際合作、開放性的學科創新基地。

學生培養與人才引進

金屬材料強度國家重點實驗室擁有一支高素質的研究生導師隊伍,承擔培養研究人才的任務。他們高度重視學生培養,建立了完善的研究生管理制度,為研究生創造良好的學習和研究工作環境,保證了研究生的質量。研究生作為科研一線的生力軍,積極參加實驗室重大科研項目和實驗室大型實驗儀器設備的管理。實驗室還選派優秀博士生到國外聯合培養,積極鼓勵和支持研究生出國、出境參加國際學術會議,為研究生的成長和發展提供了良好的對外交流和學習機會。吸引了全國各地莘莘學子慕名報考,招生規模和質量穩步提高。目前實驗室在校研究生人數達393人,其中博士研究生183人,碩士研究生210人。

根據金屬材料強度國家重點實驗室長期發展規劃中的總體部署,實驗室積極加強體系建設和體制創新,拓展和培育前沿交叉學科,優化隊伍結構,加強學術梯隊建設,積極引進高層次科研人才。實驗室一方面根據西安交通大學“高層次人才計劃”的相關政策,并與“211工程”建設項目緊密結合,每年列支一定經費作為高層次人才引進基金并給予相關的配套政策,提供一流的工作條件,獲得啟動基金,配備梯隊人員,解決有關辦公及實驗條件等問題。另一方面通過設立主任扶持基金、實施優秀博士畢業生準入機制從優秀博士畢業生中選留人才以及高影響力論文獎勵機制、選送青年骨干到國外著名研究機構進修或合作研究等措施,使一批青年教師迅速成長,并涌現出一批優秀中青年學術帶頭人和學術骨干。此外,通過完善考核激勵政策,對取得優秀的科研成果給予激勵。努力做到人盡其才,適得其所,共同發展。通過組織定期及不定期的學術交流給科研人員提供交流和合作的平臺,形成良好健康的學術氛圍和學術土壤。

金屬材料強度國家重點實驗室作為目前我國材料科學領域惟一的以材料力學行為研究為主的國家級實驗室,在材料強度領域開展基礎與應用基礎研究的同時,志存高遠,把握學科發展趨勢,積極開拓新的研究領域,努力將實驗室建設成代表我國材料力學行為研究水平的自主創新、人才培養、學術交流的重要基地和國際學術交流與高水平合作研究中心。有志于從事材料研究的海內外優秀人才,也正在“精勤敦篤,果毅忠恕”的西安交通大學校園施展著才華。2005,21(4):378-382.

(本刊通訊員)

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