澹泊以明志 寧靜而致遠

馬玲

晶界工程作為材料科學與工程學科的一個新興研究方向，在材料研究領域受到普遍關注，而福建工程學院材料科學與工程學院王衛國教授帶領的科研團隊，則是國內該領域研究的佼佼者，已經取得了諸多可喜的成績，為我國材料科學理論和材料應用新技術的發展做出了重要貢獻。

據王衛國教授介紹，由于晶界是所有多晶材料最重要的結構單元之一，晶界在三維空間構成網狀結構，起著一個“網結”所有晶粒的作用，因此晶界的結構與特性所決定的晶界特征以及晶界特征分布對材料整體的性能有重要影響，有時是決定性的。晶界工程，亦稱晶界特征分布優化，就是要研究各種晶界的結構與特性及其形成條件和影響因素，通過改變合金化和加工方法獲得預定的晶界特征分布，以顯著改善材料與晶界相關的各種使用性能，如提高晶界腐蝕和高溫蠕變開裂阻力、減少晶界析出相以避免沿晶脆性開裂、減小晶界電阻率以顯著提高材料整體電導率，等等。容易理解，晶界工程研究切中材料科學與工程諸多基礎問題和前沿熱點問題，如熔融金屬的凝固及界面推進、形變金屬的再結晶形核及晶核與形變基體之間界面的結構與行為、晶界與溶質原子的相互作用、晶界的界面匹配及晶界的結構與各向異性、晶粒長大過程中晶界行為與三叉晶界及晶界四結點之間的關聯性、晶界網絡的能量分布及漲落與晶界重構的相關性，等等。可見，晶界工程研究是一個復雜的系統工程。

潛心研究，厚積薄發

1988年畢業于蘭州大學物理系金屬物理專業的王衛國，分別于1994年和1998年在中國核動力研究設計院獲碩士和博士學位。之后，前往日本國立金屬材料研究所（簡稱NRIM，該機構約10年前與日本國立無機材料研究所合并成為日本材料科學研究院，簡稱NMI）開展雙邊合作交流，從事離子注氫 CeO2原位觀察與研究。期間除了完成既定科研任務外，主要是了解到了晶界工程方面的最新進展，同時也做了大量相關資料的收集和整理，為回國后開展晶界工程方面的工作奠定了基礎。

2001年王衛國教授回國后，來到山東理工大學任教，同時也開展了晶界工程方面的研究工作。期間，他在國家自然科學基金的資助下主要開展了鉛蓄電池陽極板用鉛鈣基合金和石油化工用奧氏體不銹鋼晶界工程方面的研究工作。實現了這兩類中低層錯能面心立方金屬材料晶界特征分布的優化，并基本闡明了其晶界特征分布演化的物理機制，發表相關論文三十多篇。

后來，王衛國教授又到清華大學材料系做了1年的訪問學者，主要從事計算材料學方面的研究，涉及原子間相互作用多體勢構建、分子動力學模擬和第一性原理計算等。期間，他通過分子動力學模擬觀察到了一種非共格∑3晶界向共格轉化的新機制，對晶界工程研究具有重要的理論意義。結束清華的訪問后，他去了美國卡耐基梅隆大學繼續訪學1年，主要向Gregory S Rohrer教授學習晶界面取向測定五參數法相關原理和技術，為回國后開展相關研究打下了扎實的基礎。

2012年，王衛國教授作為福建省“ 閩江學者計劃” 被引進到福建工程學院做特聘教授，四年的時間里，他繼續圍繞晶界工程開展相關研究，并主要取得兩個方面的創新成果。一是基于過去在鉛鈣基合金晶界工程方面的研究基礎，針對遇到的一些問題，繼續深入研究，并取得了重要進展。主要體現在：過去他們雖然可以在鉛鈣基合金中獲得特殊晶界占總晶界比例達到80%、∑3晶界占特殊晶界比例也達到80%的晶界特征分布，但∑3晶界中有60%～80%是能量較高的非共格∑3晶界，這樣的晶界特征分布，其室溫下的晶界腐蝕抗力顯著高于鑄造態和傳統再結晶態的晶界特征分布，但溫度一旦超過50℃，其晶界腐蝕抗力急劇惡化，不能滿足實際工況需求；針對這一問題，他們又進一步對非共格∑3晶界的形成條件、影響因素及其在退火過程中的行為做了全面深入的研究，對共格與非共格∑3晶界之間的內在關聯性做了細致分析，掌握了鉛鈣基合金中形成大量共格∑3晶界的內在規律，成功掌握了在不降低特殊晶界比例和∑3晶界比例的前提下如何獲得共格∑3晶界占∑3晶界比例達到60%～80%之晶界特征分布的關鍵技術，并準備與企業合作，把這項技術盡快推向應用。二是在國家自然科學基金項目的資助下，開展了高層錯能面心立方結構的純鋁及其二元合金以及體心立方結構的純鐵及其二元合金的晶界面取向分布研究，取得了比較全面的基礎數據，為晶界過程研究向鋁合金及鐵素體鋼方向拓展開辟了途徑，邁出了艱難的第一步。

另外，針對與晶界工程有著密切聯系的體視學，王衛國教授也進行了深入分析。他介紹說，體視學的主要特征是以低維測量數據求解高維結構信息，例如以一維測量數據求解二維結構，以二維測量數據求解三維結構。這里一個代表性例子就是金相組織的圖像處理。金相組織是一種二維測量，可以通過像素處理，獲得組織中每一種物相的面積百分比，在此基礎上可以利用體視學原理得到樣品的三維實體空間中每一種物相的體積百分比。可見，體視學可以把復雜的三維測量簡化為很簡單的二維測量，這就是體視學的魅力所在。體視學與晶界工程之間有著非常密切的關系，也可以說體視學極大地促進了晶界工程的研究。前文談到，晶界構成三維網狀結構，晶界特征分布的測定必然是個三維測量。人們最早是利用層磨法來確定晶界位置并估算其結構和性能，但這種方法引入太大的人為誤差，很早前就被否定了。后來人們又利用聚焦離子束和電子背散射衍射連續截面測試法來確定晶界結構，但這種方法效率低下，只適用于納米材料的十分有限的區域進行相關測試表征，未能推廣到應用具有通常晶粒尺寸的材料中開展晶界工程研究。當把體視學應用到晶界工程研究中來，才實現了單一截面的五參數分析法，也就是美國卡內基梅隆大學Rohrer教授的基于電子背散射衍射、體視學原理和統計學理論的五參數分析方法。這是簡單易行且容易推廣的方法，只需在樣品的任意一個測試面上測取大量數據后，再通過兩次利用體視學，就可以獲得樣品內部各晶界面取向分布的信息。到目前為止，王衛國教授團隊已經獲得了相當豐富的實驗數據，為后續的研究提供了可靠的參考資料。

當然，雖然人們已經利用基于電子背散射衍射技術的取向差三參數表征晶界特征，在中低層錯能面心立方金屬如鉛鈣基合金、鎳基超合金、奧氏體不銹鋼以及黃銅等材料的晶界工程研究方面取得重要進展；利用基于電子背散射衍射技術、體視學原理和統計學理論的晶界面取向五參數來表征晶界特征的工作于近年也有了一定數量的報道。但總體來看，晶界工程研究目前仍然處在一個前期的發展階段。王衛國教授表示，接下來要研究的問題還很多，但最迫切的應該是晶界的界面匹配問題，這是晶界工程研究從取向差三參數表征晶界特征過渡到以晶界面取向五參數表征晶界特征以來的一個新的重要發展。晶界的界面匹配決定著晶界的結構與特性，是晶界特征的一個核心參量。系統的研究晶界的界面匹配問題將極大地推進晶界工程相關理論研究和潛在的工程應用。

篤信精勤，引領未來

福建工程學院雖是一所新建本科院校，卻有著120年之久的辦學歷史，有比較深厚的文化積淀和傳承。近年來，福建工程學院被福建省政府列為重點建設的高等學校，在學科建設和人才培養方面得到了快速提升，在不斷提高本科生和研究生培養質量的同時，正在謀劃博士學位授權點建設，計劃在2020年左右建設成為一所國內知名的示范型應用科技大學，為國家建設培養更多高素質人才。王衛國教授為能在這樣一個背景下加盟福建工程工程學院，盡自己一份力量，深感榮幸。

因此，在四年的時間里，在中央財政、福建省政府和福建工程學院的大力支持下，在科研團隊的通力合作下，王衛國教授在實驗室建設和學科建設等方面均取得可喜進展。首先，購置了具有國際先進水平的熱場發射掃描電子顯微鏡、電子背散射衍射儀、電子探針、原子力顯微鏡、納米壓痕儀、萬能材料試驗機、高溫蠕變試驗機、動態熱機械分析儀和MS（Materials Studio）材料計算模擬系統等大型精密儀器設備，建成了材料結構與性能實驗室，不僅有力地保證了在研國家自然科學基金項目的順利實施，也為深入開展晶界工程研究及材料科學與工程相關問題研究奠定了重要的條件基礎。實驗室建設和科研課題的有序開展有力地促進了福建工程學院材料科學與工程學科水平的提升。近年來，該學科科研團隊承擔的國家級和省部級科研項目數量逐年增加；科研產出明顯增大，在國內外著名學術期刊發表學術論文的數量逐年上升；研究生的生源質量也在逐年明顯改善；承擔企業委托任務以及為企業解決實際技術問題的能力大幅增強；使得其學科水平基本達到了申報博士學位授權點的要求。

對于未來，王衛國教授在科研和教學兩方面都有著更加長遠的規劃。在科研方面，他將繼續把晶界工程方面的工作進一步系統化和深入化，做到基礎研究和應用研究并重，開發晶界工程實用技術并把它推向工業應用，創造良好的社會經濟效益。此外，還要開辟一些新的研究方向，如輕質高強合金組織設計與性能優化、材料結構與性能計算模擬以及納米材料的研究和開發等等。要盡最大的努力把力所能及的科研工作做好，同時，也要帶動學院的青年教師開展并做好科研工作。

在教學方面，王衛國教授將時刻提醒自己：高等學校的第一要務就是要為國家培養高素質專門人才。因此，除了積極承擔本科和研究生教學任務，把自己所承擔的每一門課程上好、上精，讓自己指導的每一個研究生都能學有所長。還要把科研與教學緊密結合起來，把科研中獲得的最新信息和最新知識充實到教學中，從而努力成為學生心目中真正的良師益友。

建言獻策，繼續耕耘

從整體上來看，我國在晶界工程研究領域尚處于發展上升階段。近10年來，國家自然科學基金委員會和科技部陸續資助了一些晶界工程領域的科研課題（包括973項目的子課題），這使得我國在晶界工程領域的研究雖起步較晚，但進展較快，已在核電設備關鍵材料、石油化工結構材料和鉛電池材料等相關晶界工程問題的研究方面積累了比較豐富的數據，開發了實用技術并正在向企業轉化。同時，利用最新的五參數分析法開展了晶界面取向分布方面的研究，開始關注晶界面匹配的問題等等。但相比于美國、加拿大和日本等發達國家，我國在晶界工程領域的研究還存在不小差距。主要表現在對晶界工程相關基礎研究不夠系統深入，晶界工程研究所覆蓋的材料種類偏少、測試表征技術薄弱以及尚沒有在全國范圍內形成一個能相互合作的大團隊，等等。

對此，王衛國教授建議，國家科技主管部門能牽頭協調，有計劃地配置一些重點科研課題，在全國范圍內促成一個能在晶界工程研究領域開展基礎研究、測試表征技術開發以及晶界工程技術應用的研究團隊，集中力量圍繞晶界工程若干問題展開攻關。這不僅可以盡快縮小我國晶界工程研究與發達國家之間的差距，其成果產出盡快推向工業應用，創造良好的社會經濟效益，同時晶界工程方面的研究還可以極大地推動材料科學與工程學科領域眾多科學問題的研究。

作為國內晶界工程研究領域的先行者，王衛國教授將繼續以堅定執著的步伐和矢志不渝的精神，默默耕耘，為社會的發展和國家的富強貢獻自己的一份力量！