以坚韧之意念,成薄膜之“强韧”

来源:今报在线 2023-03-27 14:30:03
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晓 穆

据统计,全球有1/3~1/2的一次能源被摩擦所耗费,大约80%的失效机器零部件毁于摩擦引发的磨损。我国作为世界范围内首屈一指的制造业大国,在生产和制造过程中消费了大量的资源和能源,发展减摩抗磨技术实现节能增效已经成为我国众多关键领域的迫切需求。面向“双碳”战略,一场广泛深刻的经济社会系统性变革不可避免,相关产业的优化升级和低碳绿色转型都离不开减摩抗磨,先进摩擦润滑技术与表面改性技术是我国实现“双碳”目标的重要一环。西北工业大学先进润滑与密封材料研究中心的年轻学者周青老师以国家“双碳”需求为导向,以薄膜为切入点,积极投身摩擦学领域研究,已在理论研究、高新技术、产业应用等方面取得了一系列耀眼的成果。

西北工业大学周青副教授做重要学术报告

强烈的家国情怀赋予了周青坚韧不拔的意志,多年发愤忘食的专注科研业已得到累累回报,周青老师已先后主持包括国家自然科学基金(面上、青年)、国家重点研发计划课题、陕西省重点研发计划在内的多项重要科学研究项目,并荣获博士后面上一等资助、全国博士后创新人才支持计划。已经在Acta Materialia、Scripta Materialia等国际顶级期刊上发表SCI论文50余篇,授权发明专利11项。

永葆恒心 潜精积思

基础研究是高水平科技发展的源泉和根基。一直以来,周青聚焦基础研究,在金属薄膜的强韧化机理研究方向不断攻坚克难、创新突破,提出了一系列创新性的研究理论,对于高性能表面涂层、薄膜的开发设计具有独到的见解,为推动我国在该高新领域的高质量发展做出了突出贡献。

在金属纳米多层膜的制备、表征及性能优化方面,周青从金属多层膜生长机理、界面结构入手,重点考察了微纳尺度下材料的力学行为,创新性地揭示了在微纳尺度范围内多层膜的屈服强度和韧性均呈现出了明显的尺寸效应。这一重要发现为通过材料组元选取及界面结构设计等手段来调控金属多层膜力学性能提供了指导思路。此外,从原子水平揭示了多层膜内缺陷结构(如界面)主导的塑性变形机理及其与纳米摩擦性能的内在联系,为摩擦学改性研究提供了实验依据和理论模型。上述工作对于多层膜的界面组元设计及与微结构演化相关的力学性能和摩擦学性能优化具有重要的科学和工程意义;在此基础上,周青进一步拓展了多层结构设计理念,并进行了十分成功的应用示范。其所研制的耐磨难熔高熵合金薄膜技术巧妙采用非平衡磁控溅射技术精准优化复合薄膜的多层结构及相界面,一举突破了自润滑薄膜中长期存在的硬度与润滑性能难以兼顾的困扰。对于高性能薄膜的理论研究和实践应用,周青都发挥了重要的引领作用,促进了从理论到实践的有效转化,领航意义不可小觑。

创新之火 日升月恒

周青在薄膜研究领域的突出贡献和发展潜力有目共睹很快吸引了西北工业大学先进润滑与密封材料研究中心的密切关注,博士毕业即接到了抛来的橄榄枝。在先进润滑与密封材料研究中心,周青获得了可独当一面舞台和广阔的发挥空间。时不我待,在先进研究平台支撑下,周青迫不及待地开展研究工作施展才华。材料摩擦磨损性能的合理表征和深入理解是提高材料结构稳定性和服役可靠性的前提,得益于周青在金属多层膜表面涂层领域的深厚积累,相关研究工作开展起来得心应手。基于对合金多层结构设计、第二相选取、力学性能等关键科学和技术问题对金属薄膜材料摩擦磨损性能影响规律的准确把握,提出了特色仿生学材料设计策略实现金属材料的减摩抗磨,并据此开发研制了一系列新型、高性能自润滑复合表面涂层材料。

难熔高熵合金薄膜已被证明具有优良的热、力综合性能,使其成为发展替代传统防护薄膜的理想选择。然而,难熔高熵合金薄膜的高硬度所带来的室温脆性问题不利于其耐磨性的进一步提升,较高的摩擦系数也限制其应用时的效率及稳定性。因此,设计硬而韧的自润滑难熔高熵合金薄膜是提高其力学性能和摩擦学性能的关键。周青创新制备技术开发了一类难混溶自润滑耐磨涂层,发现NbMoWTa/Ag复合薄膜内富Ag纳米相的层状析出是薄膜拥有极高硬度的结构起源,澄清了沉积过程中难混溶润滑相的上坡扩散和条幅分解在自组装纳米层状结构形成中的关键作用。进一步,利用基体模板限制生长法实现了NbMoWTa/Ag、Ru/Cu两体系多层膜中纳米润滑相的亚稳化转变、界面匹配新模式及独特的共格强化机制,大幅提升了力学和摩擦性能。此外,周青还将目光投向了石墨烯,这是一种非常理想的二维固体润滑材料。通过创新性地将石墨烯引入非晶材料构筑了非晶/石墨烯多层膜,发现高密度的石墨烯界面有利于强弹性回复和弱犁沟摩擦,实现了非晶合金中硬度—耐磨性—自润滑协同提高。研究成果不仅具有较高理论研究价值,所开发前沿技术也促进了多家企业的工程应用,切实推动科技成果转化、助力企业技术升级。

面向材料摩擦磨损过程及控制这一国家中长期发展规划重要基础研究领域,周青作为核心人员,参与并发展了“高性能润滑密封材料研究”这一新的学科增长点。以国家重大工程需求为牵引,交叉融合材料、机械、力学、化学和材料基因组,研发高性能润滑与密封材料;在科学研究方面着眼于重大原始创新,寻求突破润滑密封和材料基因库等重大核心技术。主持承担国家自然科学基金、国家重点研发计划等重大研究项目,积极带动和促进相关高新技术的转移和产业化,为航空、航天、核能等高科技领域若干重要应用技术问题的解决提供新的思路。

言传身教 以身作则

作为一位大学老师,周青十分注重学生培养,努力践行传道授业解惑。在传授科研经验的同时,不忘引导学生树立家国情怀,立志服务国家重大战略发展需求。在科研工作中以身作则,一手抓前沿基础科学,一手抓工程技术问题。在科学研究方面,既坚持在主攻方向下足功夫、铁砚磨穿,打下坚实基础,也注意在相关领域全面涉猎,构建全局宏观视野。

培养具有国际视野的拔尖创新人才也是周青奋斗的目标,在课程体系建设中对标国际名校最新课程体系、教学内容及教学方法,积极开展全英文课程体系建设。目前,承担了《热力学与相变》本科生专业核心课和《纳米材料的力学性能》本科生专业选修课的课程建设和教学任务。在增强学生服务国家服务人民的社会责任感、勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力先进教学理念的指导下,积极整合、革新实践资源,以实践育人理念改革创新课程内容,强化实践教学环节。目前已有(含协助培养)博士生4人,硕士生11人(已毕业5人)受教于周青老师,而且学生们没有辜负周青老师的辛勤教诲:多名学生以第一作者在本领域TOP期刊上发表论文,论文《CoCrNi中熵合金的异构组织调控及摩擦学性能研究》《石墨烯/非晶合金复合材料断裂性能》获评优秀本科毕业设计,2人获学校博士论文创新基金(重点1项),2人获学校硕士研究生创意创新种子基金(重点1项),7人次获国家奖学金。杜银博士曾以第一作者身份发表论文6篇并3次获得国家奖学金,任越博士荣获2020年优秀研究生毕业生,华东鹏博士更是勇夺学术之星荣誉称号,堪称捷报连连。青蓝相接,难能可贵!

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