科学时报：从“分兵突进”到“胜利会师”——记国家自然科学二等奖“铁电陶瓷的力耦合失效与本构关系”项目

日期 2006-04-10　来源：科学时报　作者：张双虎　【大中小】　【打印】　【关闭】

　　多位科学家缘于个人兴趣、专业单独申报项目，随后因为研究方向、方法、结论的互补共组攻关团队，在所在领域取得突破性进展——这种从“分兵突进”到“胜利会师”的喜人景象，在国家自然科学基金近20年来资助的10多万个项目中累见不鲜。　　今年1月，清华大学工程力学系5位学者共同完成的“铁电陶瓷的力耦合失效与本构关系”项目，在全国科学技术大会上喜获2005年度国家自然科学二等奖。该成果完成者杨卫、方岱宁、黄克智等，都是国内力学界研究这一方向最早、最深入的学者，他们正是各自在这一领域进行探索后，在申请基金项目时通过接触、交流逐渐走到一起，最终形成一支优势互补的创新团队。　　据了解，2005年国家自然科学一等奖空缺，总共授予的38项二等奖成果中，有36项的获奖人不同程度地获得过国家自然科学基金资助，占获奖成果总数的94.74%；各成果完成者获得资助的总项次少则三四项，多则达三十余项！　　共同兴趣导向共同研究　　铁电陶瓷是一种智能材料，它相比其他智能材料变形稳定、很好控制，因此被广泛应用于探测器、制动器、各种传感器，以及储存、记忆器中。“但实际应用过程中，给这种陶瓷材料加上交变电场后它就会产生裂纹，裂纹的扩展最终会导致器械失效。”项目主要完成者之一、清华大学教授方岱宁介绍，正是由于这一原因，铁电陶瓷的力耦合失效与本构关系的研究成为亟须解决的科研课题。　　20世纪90年代初，由于社会生产的需要，固体破坏理论的一个新兴分支学科—— “力电失效学”迅速成为固体力学的前沿领域之一。铁电陶瓷材料的可靠性、它在电场下产生裂纹的机理，同样引起了国际材料学、力学界的高度重视。这些问题同样很早就引起了杨卫、方岱宁的兴趣和关注。实际上，杨卫院士1993年尚在美国做短期客座教授时，就已开始着手研究这一问题。　　“我本人是从1994年开始从事该项目的，实际上我们一直在这一领域内工作，从开始对这一课题产生兴趣到项目取得成果，算起来也有20多年了。”黄克智院士说。黄克智是这一项目的五位主要完成者之一，研究方向之一是形状记忆合金的本构关系，这是一种在发生“相变”（状态变化）后，还能“记住”（还原）以前形状的智能材料。20世纪80年代末，黄克智带的博士生就开始接触到了形状记忆合金，然后开始从事铁电材料的本构关系研究。　　20世纪90年代初，一直从事宏微观破坏力学、结构完整性评价和材料的增强与增韧研究工作的杨卫院士带着博士生朱廷，在清华大学工程力学系开始展开铁电陶瓷材料的研究。　　因为这项研究涉及力学和材料学两个领域，1995年，方岱宁教授从国外回到清华大学后，就和黄克智院士一起进入“铁电陶瓷的力耦合失效与本构关系”项目中。进行智能材料的本构（材料变形与力的关系）问题研究。之后，方菲副教授也加入到项目中来，以杨卫、方岱宁、方菲、朱廷、黄克智为主的创新团队逐渐形成。　　研究成果做得好，自然更容易得到科学基金的资助。据悉，因为杨卫院士、黄克智院士、方岱宁教授都在这一领域做得比较出色，所以几位专家手头基金项目都比较多。他们中有两位获得国家杰出青年科学基金资助，加上其他所有国家自然科学基金面上、重点、重大项目，每人获得基金资助项次多者可达十几项。使该项目成为国家自然科学二等奖中，获奖人受到科学基金资助项次最多的一个。　　理论、应用研究齐头并进　　“铁电陶瓷的力耦合失效与本构关系”成果分两大部分：一是铁电陶瓷力耦合失效，一是本构关系。项目组5位主要完成者中，方菲副教授是清华大学材料科学方向博士，曾获美国陶瓷材料学会年会二等奖和中国高校自然科学一等奖；朱廷博士是杨卫院士的学生，其铁电陶瓷研究的论文曾获全国优秀博士论文。他们在杨卫的带领下，一起从事铁电陶瓷的探索。而黄克智院士就和方岱宁教授一起负责本构关系的研究。这个学科交叉的领域，让几位各自探索的研究者走到了一起。　　“这是个基础理论研究项目。我们在实验中取得材料断裂、失效的判断依据，来预测材料性能和器械的可靠性，指导材料、机件设计，因此也是一个理论研究和实验结合比较紧密的课题。首先要研发实验设备，在实验中发现新的物理现象，并用理论去描述和解释实验现象。在新的力学本质规律揭示上都取得很好的成果。我们提出很多原创的理论和模型，应该说在国际上还是有一定影响的。”方岱宁介绍说，项目实验中要对智能材料加几万伏高压，还要加力，把电、力、磁等因素耦合起来。没有现成仪器，项目组只好自己制备。　　黄克智说：“方岱宁擅长实验器材制备和进行实验，而我搞基础理论研究更多一些。” 正因为双方在同一研究领域正好能形成互补。所以方岱宁回到清华大学后就开始和黄克智合作，“后来连研究生都是一起带的”。　　项目组在自己制造实验器材的条件下，利用无限大压电介质中含一椭球夹杂的解和将细观力学中的Mori-Tanaka平均场理论推广到压电介质中，提出了一种基于铁电材料内部电畴分布的宏细观相结合的本构理论。建立测量铁电陶瓷与铁电复合材料的耦合变形本构实验系统，并预测了铁电复合材料的有效性能。解决了高电压的绝缘和脆性材料的单轴压缩实验难题，从而具备了同时对铁电材料施加压应力场和电场的技术。实验研究了铁电陶瓷的介电性能、压电特性以及在不同压应力场情况下铁电陶瓷的电致应变效应。　　由于器械制备和实验做得不错，后来西安交通大学、上海交通大学也来向他们学习经验，并在项目组的指导下制备了自己的实验器材。方岱宁说：“我们做的是基础理论研究，虽然研究成果尚不能直接解决材料和微电子器械制造中的具体问题，但材料制备和微电子器械可靠性的提高不能没有基础理论指导，不然就是瞎摸索了。” 　　齐心协力做出重大成果　　在国家自然科学基金的支持下,1996年后，项目逐渐有了一些成果，开始受到国际同行的邀请，参加各种学术研讨和交流。1996年8月在北京举行的先进材料国际大会（ICAM）上作为中方两个大会报告之一进行报告，项目组还在日本京都举行的第19届国际理论与应用力学大会上作了报告。此后差不多每年都会受到国际力学界最高层次的ITUTM大会和IUTAM专题研讨的邀请。　　2001年，杨卫、方岱宁、黄克智等进入国家自然科学基金委资助的优秀创新群体。这是清华大学第一个，也是力学学科第一个创新群体。杨卫院士说：“创新群体的支持是我们同事之间的一种‘黏合剂’,使大家能够一起做一些想做的事情。” 　　2004年，国际理论与应用力学联合会任命杨卫作为科学委员会主席来组织同年在清华大学召开的“致动材料的力学与可靠性”国际会议。在一次参加国际会议时，有位国外同行对方岱宁说，你们所做的每项成果我们都会跟踪。“这是国际同行对我们工作的认可。”方岱宁说：“我们所做的研究基本上都是原创性。项目涉及的裂尖集中电场诱发的铁电畴变的实验现象、畴变驱动的力电耦合增韧机理、驰豫型铁电陶瓷的电致断裂的机理阐述和标度律、畴变驱动的电致疲劳机理、压电陶瓷中的若干裂纹问题等七大课题，其中有5项内容均是在国际范围内首次提出。” 　　2001年，黄克智院士获得何梁何利基金科学与技术奖，这是学术界对他在这一领域成绩的肯定。同年，项目组负责人杨卫院士将力电耦合失效的系统工作整理为专著《力电失效学》，由清华大学出版社和德国施普林格出版社联合出版。2002年，其英文版出版时，普林斯顿大学锁志钢教授在书序中写道：“杨卫教授是这一领域的带头人，过去若干年中，他与合作者一起，作出了诸多播种式的贡献。……书中描绘了技术背景、物理基础、实验发现和理论进展。将读者从基本概念一直带到最前沿，它是这一新领域的第一部著作。”《力电失效学》英文版国际发行一年后即售罄，2004年，德国施普林格出版社为其出版第二版。国际著名的Elsevier出版社在2003年出版的工具书《结构完整性大全》(Comprehensive Structural Integrity，获得2003年度国际工程教育学会的最佳工具书奖)，收入杨卫、方菲、方岱宁撰写的一章“铁电体的失效”，作为该领域的总结性工作。10年来，项目组的论文被大量的引用，SCI引用达676次，其中他引511次。　　2005年，在清华大学申报国家自然科学二等奖时，对铁电陶瓷的力电耦合失效与本构关系项目评价道：该项目在电致失效力学方面做了奠基性的工作。在国际范围内，首次系统且定量地探讨了铁电陶瓷在力电耦合加载下以断裂和疲劳裂纹扩展为表示形式的失效过程，提出电致断裂、电致疲劳裂纹控制和电致畴变增韧的模型，所得到的铁电材料的本构关系，被国际上认为是目前国际上有关力电耦合本构关系的三个典型理论之一。关于驰豫型铁电陶瓷的电致断裂的标度律表明，降低层厚可有效地抑制层状共烧铁电陶瓷制动器内电极处的失效。