——北京化工大学机电学院教授梁立红与其先进材料及结构跨尺度力学研究
　　
庞红硕

　　
　　
　　近年来，随着微纳米力学理论的发展以及新型材料和结构的应用，微纳米结构薄膜（或涂层）作为一种研究载体愈来愈受到关注。陶瓷涂层由于较好的耐磨、耐腐蚀、高熔点、低热导等性能在航空航天、航海、化工和能源等众多领域都有广泛的应用。而对这种热障涂层体系力学性能的研究，不仅对工业应用具有重要指导意义，还促进了薄膜和界面力学理论的发展。
　　例如，国家自然科学基金项目——“纳米结构热障涂层的损伤灾变实验及机理研究”,这项研究不仅对实际涂层应用设计具有参考意义，而且为研究微纳米多尺度力学及建立有效的涂层微结构-力学性能关联模型提供了很好的载体。为此，记者专访了项目负责人——北京化工大学机电学院教授梁立红。
　　多年来，梁立红主要从事先进材料及结构跨尺度力学相关研究。她介绍，随着人们对自然界认识的加深，对自然界中很多材料微观结构的研究，往往能细化到纳米量级。“这些纳米线、薄膜或微结构（晶粒尺度）在纳米量级的宏观材料，其力学性能依赖于特征尺度，如纳米晶金属强度随晶粒减小而增加，传统连续介质理论无法刻画。研究这种尺度-性能内在关联及表征方法即跨尺度力学”。
　　跨尺度力学作为研究前沿不仅具有重要科学意义，而且对先进材料设计及应用具有实际参考价值。采访中，听梁立红教授娓娓道来，记者仿佛置身于一个浩渺无垠的微观世界，跟随她徜徉其中，开展一场“跨尺度”对话。
　　
缘不知所起，一往而深
　　1981年，德国科学家格莱特首次提出了纳米的概念。1984年，他把一些极其细微的金属粉末用特殊方法压制成一个小金属块，并对这个小金属块的内部结构和性能做了详细的研究。结果发现这种金属竟然呈现出许多不可思议的特异金属性能和内部结构。格莱特把物质碾成极小微粒再组合起来，实际上是把界面上的缺陷作为物质主体的一部分，由微小颗粒压制成的金属块是一种双组元材料，有晶态组元和界面组元，界面组元占50%，在晶态组元中原子仍为原来的有序排列。而在界面组元中，界面存在大量缺陷，原子的排列顺序发生变化，当把双组元材料制到纳米级时，这种特殊结构的物质就构成了纳米材料，由此开始了对纳米材料及纳米科学技术的研究。
　　通过研究，人们发现纳米材料的熔点一般来说会比传统材料有所降低。那么，降低多少？降低的机理是什么？这些人们迫切需要知道的答案，也是梁立红最早的研究方向和目标。
　　正所谓，缘不知所起，一往而深。这项梁立红从研究生期间就开展的工作，在此后的科研生涯中不断深入，已经伴随她走过了20余年。2003年，梁立红从吉林大学博士毕业后，在中科院物理所做博士后。两年后，她又到新加坡国立大学工作，一直到2007年回国到中国科学院力学所工作，她都在与纳米、力学有关的研究打交道。
　　实际上，固体的热学性能和力学性能，如果基于微观机制，都可以归属到晶格振动原理。而一般材料也都有它固有的导热系数。但当放诸纳米尺度时，呈现的复杂性就有了无限可能。
　　梁立红很擅长用有趣的比喻讲解理论性极强的知识。在给记者讲述她的部分研究工作时，她这样形容：“比如人们用的杯子，不锈钢杯子里倒上热水之后马上就烫手了，因为不锈钢导热系数非常大；而陶瓷杯子就不会这样，因为陶瓷的导热系数非常小。各种材料的导热系数一般是一个材料常数，可以通过手册查到，但如果微结构是纳米尺度的话，那么它的导热系数就不再是材料手册上能够查到的常数了，它也具有了尺度效应。不仅如此，材料相应的其他性能也会发生改变。而对它改变的程度及机制进行表征，就是我曾研究的内容。”
　　其实，这项在梁立红的描述中十分有趣的工作，具体开展时却很枯燥，需要科研工作者“耐得住寂寞”。它包括理论方面的研究，以及开展相应的实验、模拟工作，最终揭示它的机理、刻画它的行为。功夫不负有心人！梁立红在纳米尺度热传导、薄膜弹性模量及界面能的尺度效应等问题系统的研究中，取得了一系列成果；在纳米材料相变热力学的研究方面也成果颇丰，并荣获了中国科学院王宽诚奖（2004）等。
　　
“喜看稻菽千重浪”
　　对于力学学科来说，微纳米力学、表界面力学等前沿研究，对引领学科方向发展，具有十分重大的科学意义。而从应用的角度来看，这项研究也大有裨益。
　　就拿“纳米结构热障涂层的损伤灾变实验及机理研究”项目来说，航空发动机的涡轮叶片、航天应用中的火焰筒、密封圈等零部件，服役环境温度比较高，仅仅使用高温合金材料仍然不能满足服役环境，就需要在表面添加热防护涂层。这种热障涂层在机理方面非常复杂。一方面，陶瓷涂层的导热系数越低或者涂层越厚越好，可以对内部的金属部件起到更好的热保护作用；另一方面，涂层过厚除了要考虑成本因素，由于陶瓷涂层/金属基底间的界面失配增加可能导致界面更易开裂，一旦涂层开裂剥离，失去涂层保护的基底合金在高温下将很快失效，从而缩短了部件的力、热耐受性及寿命。因此改善涂层和基底合金的性能以及两者之间的粘结性能，研究涂层/基底体系在力、热载荷下的损伤失效机制一直是力学家们关注的焦点问题之一。
　　“事实上，涂层的失效模式与材料成分、微结构、厚度、加载方式、服役环境等许多因素有关。那么这诸多因素可否归一成某种统一的特征参量呢？如果建立一个统一的损伤模型，由其中的相关参量大小来反映不同的实际情况，并建立起关键参量的物理表征，将对跨尺度脆性损伤理论的发展具有重要意义。”梁立红介绍，根据微纳米结构热障涂层的应用背景提出的相关科学问题，对发展结合实验的微纳尺度的脆性涂层损伤理论提出了迫切要求，这也正是相关项目的目标。
　　研究过程中，梁立红基于研究现状和原有工作基础，通过对微、纳米结构不同厚度氧化锆陶瓷涂层/镍基合金基底样品在弯曲及热震载荷下的系统实验研究及裂纹演化、损伤失效特征考察，结合不同控制变量的统一数学表达及灾变损伤理论分析，定义新的损伤参量，并基于纳米表界面热力学等对损伤参量进行物理表征，来研究纳米结构涂层的损伤失效规律及机制，以期建立有效的热-力失效关联。
　　针对先进涂层结构在航空、航天等领域关键部件（如发动机叶片、密封圈等）的应用背景，结合涂层/基底界面力学、涂层结构在力、热载荷下损伤断裂力学，以及涂层隔热等跨尺度相关基础科学问题展开研究，梁立红取得系列成果：在固体力学核心期刊Int. J. Solid. Struct、涂层核心期刊Surf. Coat. Technol、计算核心期刊Comp. Mater. Sci.等国际期刊上共发表SCI论文近50篇，SCI他引800多次（近5年300余次）；失效相关界面能及热传导公式被中外科学家直接使用。
　　引用其论文的期刊覆盖力学（如J.Mech.Phys.Solid.2016，99，321）、材料（如Advance.Mater.2017,29, 01850）、化学（如Chemical Reviews 2014，114，9613）等多个领域，反映了梁立红工作的基础性、创新性；而其较早文章近年仍被较多引用，则反映了梁立红工作的引领性、可持续性。
　　此外，梁立红数次参加国际断裂会（2017、2013）、国际计算会（2018、2014）、国际材料力学大会（2019）、中国力学大会、中国材料大会等，在薄膜、涂层及界面力学等相关分会作邀请报告或主持。如2017年6月国际断裂会，主持微观断裂分会研讨。还受邀为Journal of the American Ceramic Society、Acta Mechanica Solida Sinica、Engineering Fracture Mechanics、International Journal of Heat and Mass Transfer等多种SCI期刊审稿。
　　“我们搞基础研究的把部件力学行为的物理机制搞清楚了，对于实际的应用设计和部件的服役都具有参考价值。”谈起成果，梁立红很淡然，也很谦逊。但记者觉得，通过20余载的精耕细作，当面对用汗水浇灌出的一项项成果时，她想必也是“喜看稻菽千重浪”般的心境吧！
　　
“九万里风鹏正举”
　　2019年7月，梁立红离开工作多年的中国科学院力学研究所，加入北京化工大学机电学院，完成从科研机构到高校的转型。“力学是一个很特别的学科，很多工科领域都需要力学基础。在中国科学院工作的时候，研究工作非常前沿、基础，而在高校又与企业结合十分紧密，很注重应用。”梁立红介绍，自己是通过学校的人才引进加入机电学院的，希望能够在力学研究和学科建设方面贡献自己的一份力量，为学院学校的发展壮大添砖加瓦。
　　近一年来，梁立红开展了跨尺度力学实验室建设，积极搭建固体力学测试平台；组建了力学交叉团队，与力学基础教研室老师及其他新引进青年人才一起努力，希望力学切实起好工科基础、理科应用的桥梁作用。与此同时，她还开设了“从趣味力学到工程力学”课程，以负责的航空航天等国家基金项目为驱动，培养学生力学研究兴趣与素质。梁立红说，希望通过给同学们尤其是本科生普及力学知识，让同学们能够对这个学科方向感兴趣，将来在这个方向学以致用。
　　回顾多年的科研生涯，梁立红很感谢不同阶段的各位导师，他们性格各不相同。但无论是严苛的，还是和善的，她觉得都得到了非常大的帮助。“年轻气盛时，大家也会因为研究观点不同而发生争执，也会被老师批评。但问题只有越辩才能越明，现在回想起来，大家针对问题讨论，老师毫不保留地赐教，那种学术氛围是非常宝贵的”。
　　这种宝贵的学术氛围以及学术精神，也通过梁立红的传道授业，实现了代际传递。如今，梁立红常常对学生说，做科研不能想太多得失成败，过程最重要。“我不强求学生的专业基础有多么强，其实大多数学生都是差不多的，但是我希望他能够有愿意为科研奉献的精神，必须得坐得住板凳、耐得住清苦，有极大的科研热情”。
　　基础科学研究往往一方面基于理论开展工作；另一方面需要做实验证明结果的可靠性。有时要得到一个理想的实验结果所经历的过程百转千折。梁立红说：“虽然我们会尽量让实验条件标准规范、严格统一，但是有时候测出来的结果往往仍然是不尽人意或不尽相同的。这时候，我也会鼓励同学们不要灰心丧气，要找问题，合理设计实验，进行更科学地统计分析”。
　　其实，这么多年，不怕失败，努力寻求问题所在、解决问题，不断在科研道路上前行，梁立红所依赖的也正是她所说的这种极大的科研热情和奉献精神。尤其作为女性科研工作者，当她选择将更多的时间和精力投入科研工作的时候，必然在家庭方面感觉有所亏欠。“孩子学习课业任务也比较重，需要家长大力支持，我肯定支持的，但有时候确实付出得不够。但是我想孩子也要独立，人都是要靠自己，我们就做个榜样吧！”
　　采访结束时，梁立红把对未来的期许用十分朴素的话总结为一句：“希望一起努力在‘十四五’期间多出一些创新成果吧！”漫步微观世界，徜徉在“跨尺度”对话中，记者透过梁立红的科研工作，看到的是“九万里风鹏正举”的景象。愿风休住，蓬舟吹取三山去！也愿浩渺的微观世界越来越清晰！