经世致用 “材料”强国——专访中南大学材料科学与工程学院副院长刘立斌教授

本刊记者 马 兵

经世致用 “材料”强国
——专访中南大学材料科学与工程学院副院长刘立斌教授

本刊记者 马 兵

国家的综合竞争力很大程度上体现为快速研发复杂高技术设备和产品的能力。高性能材料的研制与生产直接关系到大型、高性能、高技术装备制造业的发展。材料创新是技术进步的核心，如果新材料的开发速度跟不上需要，将限制我国制造业的发展，最终威胁到我国在汽车、航空、航天等国防与国民经济关键领域的竞争力。

然而，由于材料工程本身的复杂性，目前现有的材料设计方法还不能有效地从材料的成份和工艺来预测材料的微观结构与宏观性能，也很难从所需的材料性能反推出材料种类、成份与制备工艺。这样的局面极大地延长了新材料的开发周期，成为新产品设计与开发过程中的制约因素。

材料科学专家刘立斌教授解释说：“导致这种结果的主要原因是基础数据严重不足并且没有标准化、材料设计过分依赖经验且远远没有系统化、复杂体系材料性能的预测受到计算机速度和计算方法的限制。”

从相图入手，寻找材料的最佳成分与工艺

“相图就像是材料科学的地图，它形象地表述不同成分的材料在不同的工艺或使用条件下材料微观组织的演化过程，为新材料的开发与材料工艺的制定提供了重要的理论依据，是重要的材料科学基础数据之一。”

刘立斌的主要研究方向就是相图和与材料设计。他表示，为了解决新型材料研制与生产中面临的种种问题，必须改变目前“炒菜”式的新材料的开发方式，有必要对材料的相图、热力学与动力学数据进行彻底地研究，并用电脑从本质上把这些基础数据从物理本质上联系起来，构成材料设计体系。

为此，刘立斌结合具体材料存在的具体问题，进行了一系列的探索与创新。

镁合金是目前最轻的金属材料，在航空航天和汽车领域使用镁合金能大大降低燃料消耗，提高燃油经济性。然而，这种高性能的材料同时也存在致命的缺陷，那就是强度不够高，耐高温性能比较差。缺陷的根源，在于目前在镁合金中还没有找到很好的耐热强化相。

针对这一问题，刘立斌带领他的团队开展“新型镁合金结构材料相图与合金化原理的研究”，力图构建相图热力学数据库，并以此为基础寻找新的镁合金耐热强化相。很快，这项工作得到了世界权威机构瑞典Thermo_Calc公司的好评，并准备在世界上推介他们开发的相图热力学数据库，以供镁合金研发与生产单位在镁合金成分设计与工艺制备过程中作参考。

早在上世纪50年代，就有人发现只要在Al-Cu合金中加入微量的Sn、In、Cd就能将Al-Cu合金热处理后的硬度提高70%，使达到最高硬度的时间缩短为原来的三分之一，目前这种现象已被用于开发航空Al合金材料。透射电子显微镜与三维原子探针分析发现，在Al-Cu合金固溶处理过程中，形成了Sn原子团簇，该团簇的存在促进了Al-Cu合金强化相的析出，缩短了强化相的析出时间，使强化相变得更细小，从而提高了Al-Cu合金的硬度与强度。

因此，刘立斌等人依旧从相图研究入手，开展了“Al-Cu合金相图与铝合金微合金化研究”，解释了固溶处理过程中Sn原子团簇的形成机理。他们提出，由于Al-Sn、Al-In、Al-Cd存在稳定或亚稳的液相分解，导致液态Sn、In、Cd在铝基固溶体中的溶解度随温度降低而降低，使Al合金存在随温度降低而逆向熔化的现象，正是这种逆向熔化导致了Sn、In、Cd原子团簇的形成。这种新的观点得到了澳大利亚悉尼大学著名铝合金研究专家Simon Ringer的认可，并且吸引了美国乔治亚理工大学李默教授和韩国浦项大学李炳柱教授的注意，他们表示愿意就Sn、In、Cd原子团簇的形成与随后促进Al-Cu合金强化相的微观机理与中南大学合作，以进行更深入的原子级别的模拟研究。

上世纪80年代，苏联科学家发现，在铝合金中加Sc能显著提高铝合金的使用温度，但是Sc太贵，在铝合金中加入0.23%的Sc能将铝合金价格提高2-3倍，因此目前含Sc铝合金主要用于战斗机和体育用品等对材料成本不敏感的领域。

为了寻在Sc的替代品，降低可铸耐热铝合金的成本，刘立斌等人目前正在开展“可铸耐热铝合金相图与合金化原理”的研究。由于从二元相图分析中很难找出Sc的替代元素，于是他们正在试图从三元相图的研究出发，寻找替代元素。

以人为本，致力学科的长远发展

如今，作为材料科学与工程学院的副院长，刘立斌不光在科研上不断追求创新、寻求突破，在管理与教学上，亦是高瞻远瞩、兢兢业业。

1987年，在长沙装卸机械厂干了两年技术员的刘立斌，凭借惊人的毅力和韧性再次回到了课堂，考上了中南工业大学的硕士研究生，在此后23年的漫长岁月里，他从学生变成了老师，又从普通老师变成了副院长。在这所他熟悉又挚爱的校园，刘立斌尽情挥洒着自己汗水与梦想、热情与希翼，那里，既有他敬仰的恩师金展鹏老院士，也有他精心培育的众多莘莘学子。他见证了中南工业大学向中南大学过渡并不断成长壮大的整个历史过程，他参与了中南大学材料学院的211工程和985工程的规划与实施，他也亲历了中南大学国家重点学科与国防重点学科的申报评估与建设等工作。

除了承担本科生必修课《材料科学基础》、选修课《相图与合金设计》等本科教学任务外，刘立斌还带了十多个研究生，负责研究生必修课《材料热力学》的教学。十几年的教学与科研经历，使他对教学与科研之间的关系，有着深刻的领悟：“我认为教学与科研是相辅相成的，本科生专业基础课《材料科学基础》的教学可以加强自身对材料科学全面知识的把握，防止科研搞久了，只看到自己研究的这一点。本科生选修课《相图与合金设计》的教学能促使自己收集与自己研究方向相关的最新研究成果，并将它系统化为本科生选修课教学内容，能够促进自己对科研方向的深入思考。研究生学位课《材料热力学》的教学能够加深对与自己研究方向的基本原理及其进展的掌握，有利于研究生早日进入研究课题。学生基础打得越牢，对学术前沿把握得越清楚，越有利于后来的科学研究工作的开展。我希望学生能够主动学习，能不断培养自己钻研学术问题的兴趣。”

为了培养与国际接轨的研究生，刘立斌带领所在的课题组与美国俄亥俄州立大学、瑞士联邦工业实验室、比利时鲁汶大学、德国福隆贝格工业大学、澳大利亚莫拉士大学、韩国浦项大学等都建立了合作关系，为学生交流提供了一个绝佳的国际平台，基本实现了研究生的国际化培养。“研究生出国工作一段时间，有利于他们开拓学术视野。而培养的研究生能不能做到一下飞机就能从事高水平的科学研究是学术交流能否持续进行下去的关键。”

以人为本，是刘立斌学科建设的一个基本思路。他认为，学科建设的关键是人才队伍的建设，其次才是研究平台的建设。“学科建设应该以人为本，充分发挥各类人才的潜力是学科建设的关键。”

正如中南大学“经世致用”的校训那样，刘立斌无论是在材料科学的创新方面，还是在教学与管理的探索方面，都本着一个目标：为经济发展服务，为社会进步育人。

专家档案：刘立斌，1966年生，湖南宁乡人，中南大学材料科学与工程学院副院长。1985年毕业于武汉水运工程学院（现武汉理工大学）金属材料及热处理专业，1987年考入中南工业大学（现中南大学）材料学院师从金展鹏院士从事相图研究，1995年博士毕业后留校。1999年至2004年赴瑞典金属研究所、瑞典查尔默斯大学留学，2004年9月被聘为中南大学教授，2005年4月增选为博士生导师。参与编写专著2部，发表学术论文60多篇，其中有40多篇在国外知名刊物上发表。