2019提名国家自然科学奖项目-锆基和镧基大块无序合金材料的制备和无序合金结构的研究

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2019年度国家自然科学奖提名公示材料
项目名称        锆基和镧基大块无序合金材料的制备和无序合金结构的研究
提名单位        教育部


提名意见
（不超过600字）        该项目对无序合金材料制备和结构的基本问题进行研究。揭示在无序合金中长程拓扑序的存在，发现在大块无序合金体系中非晶多形态相变的现象。研发采用铜模直接浇铸制备目前世界上尺寸最大的无序合金材料：直径为 73 毫米锆基无序合金、最大的稀土基无序合金材料：直径为 35 毫米镧基无序合金，对玻璃形成能力的机理进行研究，发现微合金化使非晶态与晶态能量之差和晶化激活能降低以及原子密堆积。研发一种具有室温大弯曲、扭转塑性铜锆基无序合金，提出自由体积提高无序合金塑性新思想。这些成果被世界著名材料评论期刊《Materials  Today》和《NatureChina》报道，也被美国阿贡国家实验室 2007 年鉴作为封面、美国材料学会、ScienceDaily、亚洲材料、科技部等媒体报道，曾被评选为“2007 年中国稀土十大科技新闻”。该项目创新显著，国家发明专利 11 项，发表 SCI 论文 205篇, 8 篇代表论文他引 769次，并获得 1 篇全国百篇优秀博士论文，得到国内外同行们高度评价。该成果获得 2009 年教育部自然科学一等奖。
对照国家自然科学奖授奖条件，我部决定提名该项目为2019年度自然科学奖二等奖。


项目简介            诺贝尔奖获得者安德森曾提出无序物质结构是目前凝聚态物理和材料科学最重要也是最困难的问题之一，被美国科学期刊选为本世纪需要解决 125 个基本科学问题之一,是无序物质研究的前沿和热点。相对传统的金属材料，无序合金材料具有超高的强度和弹性，优异的耐磨耐蚀、软磁和热塑成型等性能,在军民两方面展现出广泛的应用前景。然而如何设计直径大于 20 毫米的无序合金体系仍然是一个焦点问题，严重制约了其工业应用。项目历时近10年，在国家自然科学基金委等资助下，结合研发高性能新材料，特别是新型稀土基材料的国家重大需求，针对大块无序合金的结构和成分设计等基本科学问题，系统研究了无序合金原子排列结构和形成机理，促进了无序物质学科的发展，取得以下原创性成果：   
    一、首次揭示在无序合金中长程拓扑序的存在，改变了对玻璃结构的传统理解和认识（传统观点认为无序物质具有短程有序和（或）中程有序结构，没有长程有序结构）；首次发现在大块无序合金中非晶多形态相变的现象，为无序物质结构的研究提出了一个全新的思想。
    二、从机理上发现微合金化能够降低过冷液态与晶态之间的自由能差以及增大原子排列密度，显著提高无序合金形成能力。在此基础上成功研发直接铜模浇铸世界上尺寸最大的无序合金：直径为 73 毫米锆基无序合金体系；研发世界上尺寸最大的稀土基无序合金：直径为 35 毫米镧基无序合金体系；以及研发直径大于 20 毫米锆铜基无序合金材料。这三种无序合金体系具有如下特点：尺寸大、热稳定性好、具有高的超塑性成型能力。在微机械、微纳米压印材料等领域具有广阔的应用前景，解决了由小尺寸和稳定性制约其工业应用的难题。  
    三、通过系统研究无序合金中原子排列结构，研发了一种具有室温大弯曲、扭转塑性的新型铜锆基大块无序合金材料。 <<Nature China>>科研亮点报道:“...提出合金中存在的自由体积可以提高大块无序合金塑性新思想, 对开发新的具有塑性变形能力的大块无序合金材料具有重要意义”。
    项目成果被世界著名材料评论期刊《Materials Today》正面报道“…研究压力诱导非晶-非晶相变课题具有很大的兴趣…”被美国阿贡国家实验室录用为2007年年鉴封面和 2011年年鉴,美国材料学会、美国 ScienceDaily、 亚洲材料、中国科技部、科学院、国家自然科学基金委等媒体正面报道，被评选"2007年中国稀土十大科技新闻"。应邀在国际快冷、大块金属玻璃、亚稳非晶纳米材料、TMS等系列重要国际会议上作大会报告或邀请报告 30余次。 获国家发明专利 11 项,在国际 SCI 期刊上发表论文 205 篇, 其中有 Science、NatureCommun、 AdvMater、Nanolett、 PNAS、 PRL、 JACS、 ActaMater、 AdvFuncMater 等论文，由 20 个国家的 300 多名学者在 20 多种期刊上引用，8 篇代表性论文被引用 769 次，并获得全国百篇优秀博士论文一篇和 2009 年教育部自然科学一等奖。


客观评价            本项目共发表的205篇SCI 论文被美、英、德、法、意、日、韩等 20个国家的 300 多名学者（有世界著名材料科学家、国际著名大块无序合金专家、原日本东北大学校长Inoue教授、美国加州理工学院Johnson教授、英国剑桥大学Greer教授、法国格勒诺布尔Yavari教授、美国约翰霍普金斯大学Ma教授、耶鲁大学Schroers、麻省理工学院Schuh教授、华盛顿大学Kelton教授、田纳西大学Liaw 教授、德国莱布尼茨固态和材料研究所Eckert教授、国内陈国良院士和汪卫华院士）在20 多种国际期刊上（国际顶级期刊 NatureCommun、PRL、AdvMater、ActaMater 等、国际著名期刊PRB、APL、ScriptaMater、Intermetallics）进行引用。
    1、首次在无序合金中揭示长程拓扑序的存在，改变了人们对玻璃结构的传统理解认识(代表性论文1)。该科研成果发表在 Science 332, 1404(2011)，被美国材料学会、亚洲材料、美国ScienceDaily (June 16, 2011)（附件 1）等报道“…It's the first time researchers have glimpsed  this hidden property in a glass. The discovery, reported June 17th in Science, offers a new window into the atomic structure and behavior of metallic glasses, which have been used for decades in products such as anti-theft tags and power transformers but are still poorly understood. The  more scientists learn about the structure of these commercially important materials, the more  effectively they can design new metallic glasses and tinker with old ones to improve their performance…”。该成果也被美国阿贡国家实验室 2011 年度年鉴收录（附件 2）。法国里昂大学Machon教授在 Progress in Materials Science 61,216(2014)（代表性引文1）的综述文章中引用我们的工作“最近，对Ce75Al25的无序合金薄带进行加压导致邻人惊讶的结果。在压力低于 24.4GPa 时，样品还是显示无序样品的XRD图谱；当压力达到 25GPa时，XRD完全转变成 fcc单晶的点状谱图。这说明无序合金与 fcc晶体之间的结构存在着拓扑关联，否则晶体的形核和生长将对导致随机取向的多晶体的生成”。首次在大块无序合金体系中观察到非晶多形态相变的新现象,该成果发表在 PNAS(代表性论文 7)，被著名材料评论期刊《Materials Today》October 2007,Vol 10,P10报道“…研究压力诱导非晶-非晶相变课题具有很大的兴趣…” （附件3），并作为美国阿贡国家实验室 2007年年鉴封面收录（附件 4）,教育部科技信息快讯、国家自然科学基金委等媒体也分别报道（附件 5）。汪卫华院士在Adv Mater 21,4524(2009)(代表性引文 7)的综述文章里引用该成果“一种 LaCe 基无序合金在14GPa 时出现不寻常的压缩能力的变化，表明出现非晶的多形性”。进一步我们发现铈基无序合金非晶多形态相变伴随着一个明显的 4f 电子从局域态到巡游态的非局域化转变(代表性论文 4)。从电子状态的角度揭示了在高配位数密堆的铈基无序合金中非晶多形态相变的机理，该机理不同于传统的配位数变化（低配位数往高配位数）的结构相变机理，开创了无序合金非晶多形态相变全新科研领域。Liaw教授等在PRL 109,125501(2012)（代表性引文4）的论文中明确指出我们发现的4f电子从局域态到巡游态的非局域化转变现象（代表性论文4，7）在他们研究的Gd基和Pr基无序合金中也被观察到。美国ScienceDaily (Mar. 17, 2010)（附件 6）报道该成果“…Metallic glasses also have unique electronic behavior that scientists are just beginning to understand. In a new study, scientists used high pressure techniques to probe the connection between the density and electronic structure of a cerium-aluminum metallic glass, opening up new possibilities for developing metallic glasses for specific purposes…”，并作为美国阿贡国家实验室 2010年度Research Highlights报道（附件7）。
    2、研发了世界上尺寸最大的采用铜模直接浇铸制备的无序合金材料：直径为 73 毫米锆基无序合金体系  (代表性论文 2)；研发了世界上尺寸最大的稀土基无序合金材料：直径35毫米的镧基无序合金体系(代表性论文 6)；研发了直径大于20毫米新型锆铜基大块无序合金材料(代表性论文5)。这些成果发表后被中国科技部中国科技通讯487期（2007.9.20）报道“…该无序合金具有极强的玻璃形成能力和非常低的玻璃转变温度等特性，在较低的温度下就可以进行超塑性变形，把它放入 100 度左右的水中就可以进行拉伸、折叠等变形”。中科院、国家自然科学基金委等媒体也分别报道，并获选“2007 年中国稀土十大科技新闻”（附件8）。汪卫华院士在 Adv Mater 21, 4524 (2009)(代表性引文 6)的综述文章里强调我们的工作“一系列的新型 Y-, Sc-, La-, Ce-, Nd-, Pr-, Gd-, Sm-, Tb-, Dy-, Ho-, Er-, Yb-, Tm- and Lu-基大块无序合金，有着独特的电子结构、强的玻璃形成能力和高的热稳定性，它们的弹性、电性和磁性性能也被报道”。韩国延世大学Kim教授等在Progress in Materials Science 58，1103 (2013)（代表性引文2）的综述文章里引用我们的工作“最近，楼鸿波等发现Zr46Cu30.14Ag8.36Al8Be7.5合金具有很强的玻璃形成能力是与 Be 元素的添加有关，该元素的加入不仅抑制了在不含Be 的合金中相分离的发生，而且保持了较低的晶化吉布斯自由能差。可以通过铜模浇铸的方法制备出临界尺寸为 73 毫米的非晶棒”。剑桥大学Greer教授等在 Materials Science and Engineering R 74, 71 (2013)（代表性引文5）的综述文章里面强调我们的工作“在为数不多的关于相分离对力学性能影响的研究工作中，姜清奎等证实了相分离能够通过调节成分和热历史来进行优化，进而改善合金的塑性”。陈国良院士等利用第一性原理分子动力学模拟的方法计算出新型锆铜基大块无序合金材料的径向分布函数，且能够与我们的实验结果相吻合，从而证实了其计算结果的准确性。采用我们所开发的新型锆铜基大块无序合金材料作为研究对象，卡斯鲁尔理大学Hahn教授系统研究了结构弛豫的动力学过程、元素添加和塑性变形对热稳定性和力学性能的影响；俄罗斯国立师范大学Khonik教授系统研究了应力弛豫和蠕变的动力学过程；沈军教授研究了冷却速率对磨损性能的影响。
    3、 研发一种具有室温大弯曲、扭转塑性新型铜锆基大块无序合金。该成果发表在 PRL 上(代表性论文3)，被<<Nature China>>报道:“提出合金中存在的自由体积可以提高大块无序合金塑性新思想，对开发新的具有塑性变形能力的大块无序合金材料具有重要意义”（附件 9），著名专家Ma教授等(Acta Mater 56,5263(2008); PRB 78,014207(2008))多次(代表性引文 3）指出“大块无序合金的强度和塑性仿佛是与其成分相关，并且不同于对晶体材料形成的共同认识”、“大块无序合金最近的广泛研究已经揭示它们的力学性能具有强的成分相关性”。张涛教授等引用该成果，指出“在Zr-Cu-Al-Ti大块无序合金中，Ti元素的添加可以引入大量随机分布自由体积，使得压缩塑性得到极大的改善。因此，该结果暗示了在我们的 Zr-Ti-Al-Fe-Cu-Ag 大块无序合金中，Ti元素的微量添加可能也会促使自由体积含量增加，从而激活STZ的运动，提高塑性变形能力。”国内外著名学者Schroers、Schuh、Eckert、Hahn、Inoue教授、陈国良和汪卫华院士、徐坚和孙军教授等多次引用并肯定该成果。本项目构建 CuZr 二元无序合金的三维原子构型（代表性论文 8），通过分析比较过强玻璃形成成分 Cu64.5Zr35.5和共晶成分Cu61.8Zr38.2的原子结构, 发现二十面体型团簇是两个合金中的主要团簇结构，然而Cu64.5Zr35.5含有高的原子密度和高的平均配位数，并且以Cu原子为中心的二十面体型平均结构更接近于理想的二十面体结构，这有利于抑制 Cu64.5Zr35.5合金中的原子的扩散并增加了Cu64.5Zr35.5合金中局域结构与晶体相间的结构不相容性。法国国家科研中心Jakse教授在APL 93，113104（2008）（代表性引文7）发表的论文采用第一性原理分子动力学研究二元大块无序合金的玻璃形成能力和短程有序，引用了我们的实验数据和结论，指出“虽然不同种类的二十面体出现在Cu64Zr36合金中，但从计算的偏配位数发现以Cu为中心的平均团簇为Cu7.3Zr5.6接近于Cu7Zr6，与扩展X射线吸收精细结构谱结果完全一致”。美国空军研究实验室Senko在PRB 82，104206（2010）（代表性引文8）发表的论文采用X射线、中子衍射和反蒙特卡洛模拟的方法研究了Ca-Mg-Zn 大块无序合金材料的局域原子结构，明确指出“Ca-Mg-Zn无序合金的主要配位多面体并非是<0,0,12,0>的二十面体，而是配位数略低（11、10、9）的多面体，这与Cu-Zr大块无序合金中富Zr成分的情形十分类似, 而不同于富Cu的成分主要形成<0,0,12,0>，影响玻璃形成能力和其它性能”。国内外著名学者 Ma、王才壮、Kelton、Eckert、Harrowell、Lee教授，陈国良和汪卫华院士，吕昭平和董闯教授等多次引用并肯定该成果。


代表性论文专著目录
序号        论文专著名称/刊名/作者        年卷页码        发表时间        通讯作者        第一作者        国内作者        SCI他引次数        他引总次数        论文署名单位是否包含国外单位
1        Long-range topological
order in metallic glass/Science/Qiaoshi Zeng, Hongwei Sheng,Yang Ding, Lin Wang,
Wenge Yang,  Jian-Zhong  Jiang, Wendy L.Mao, and Ho-Kwang Mao        2011 年 332卷 1404-1406 页
        2011年 06月 17日
        Jian-ZhongJiang（蒋 建中 ）        Qiao shi Zeng
        曾桥石，蒋 建中          71        74        是
2        73 mm-diameter Bulk Metallic Glass Rod by Copper Mould Casting/Appl. Phys.Lett./H. B. Lou,X.D.Wang, F. Xu, S. Q.Ding, Q. P. Cao, K.Hono,and J. Z. Jiang        2011年99卷 051910 页        2011年 08月 01日        J.Z.Jiang（蒋 建中 ）        H.B.Lou        楼鸿波，王 晓东，徐峰 ，丁少庆 ，曹庆平 ，蒋建中
        39        39        否
3        New class of plastic bulk metallic glass/Phys.Rev.Lett./L.Y.Chen, Z.D.Fu, G.Q.Zhang, X.P.Hao, Q.K.Jiang, X.D.Wang, Q.P.Cao, H. Franz,Y.G. Liu,H.S.Xie, S.L. Zhang,B.Y.Wang,Y.W.Zeng,J.Z.Jiang        2008年 100卷 075501页
        2008年 02月 22日
        J.Z.Jiang（蒋 建中 ）        L.Y.Chen        陈连义，福 振东，张国 庆，郝小鹏 ，姜清奎 ，王晓东 ，曹庆平 ，谢洪生 ，张树霖 ，刘永刚 ，王宝义 ，蒋建中        120        122         是
4        Origin of Pressure-Induced Polyamorphism in Ce75Al25 Metallic Glass/Phys.Rev.Lett./Qiao-shi Zeng, Yang Ding,Wendy L. Mao,Wenge Yang, Stas.V. Sinogeikin,Jinfu Shu,Ho-kwang Mao and J.Z.Jiang        2010年 104卷 105702页        2010年 05月 12日        J.Z.Ji
ang（蒋 建中 ）        Qiao-shi Zeng
        曾桥石，蒋建中        53          58        是
5        Zr-(Cu,Ag)-Al bulk metallic glasses/Acta Mater./Q.K. Jiang, X.D.Wang, X.P.
Nie,G.Q.Zhang, H. Ma, H.-J.Fecht, J. Bendnarcik,H.Franz,Y.G. Liu, Q.P.Cao and J.Z.Jiang        2008年56卷 1785-1796页        2008年 05月 01日        J.Z.Jiang
（蒋建中 ）        Q.K.Jiang        姜清奎，王 晓东，聂西 鹏，张国庆 ，麻晗，刘 永刚，曹庆 平，蒋建中        129          132        否
6        La-based bulk metallic glasses with critical diameter up to 30mm/Acta Mater./Q.K.Jiang, G.Q. Zhang, L.Yang, X.D. Wang, K.Saksl, H.Franz, R.Wunderlich, H. Fecht,J.Z. Jiang        2007年55卷 4409-
4418页
        2007年 08月 01日
        J.Z.Ji
ang
（蒋 建中 ）
        Q.K.Jiang
        姜清奎，张 国庆，杨亮 ，王晓东 ，蒋建中
        61          62        是
7        Anomalous compression behavior in lanthanum/cerium-based metallic glass
under/Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America/Q.S.Zeng, Y.C. Li, C.M.Feng, P.Liermann, M.Somayazulu, G.Y. Shen,H.-K. Mao,R.Yang, J.Liu,T.D.Hu, J.Z. Jiang
        2007年 104卷 13565-13568页
        2007年 08月 21日
        J.Z.Ji
ang
（蒋建中 ）
        Q.S.
Zeng
        曾桥石，李 延春，冯春木，刘景，胡天斗 ，蒋建中
        39          40        是
8        Atomic structure of binary Cu64.5Zr35.5 bulk metallic glass/Appl.Phys.Lett./X.D.Wang, S.Yin, Q.P.Cao, J.Z. Jiang,H. Franz, Z.H.Jin        2008年92卷 2828694 页        2008年 01月 07日        J.Z.
Jiang
（蒋建中 ）        X.D.Wang        王晓东，殷 实，曹庆平 ，蒋建中 ，金朝晖
        79         79        是
合计        591         606        
主要完成人情况        （格式：姓名、排名、行政职务、技术职称、工作单位、完成单位、对本项目贡献）
蒋建中、排名1、主任、教授、浙江大学、浙江大学
对本项目贡献：本项目负责人，全面负责项目执行、指导实验设计、数据分析、论文撰写。揭示无序合金中长程拓扑序的存在、发现大块无序合金体系中非晶多形态相变新现象（对应第一项科学发现，第 1、4 和 7 篇代表性论文的通讯作者）。研发直径为 73 毫米锆基合金体系和直径为 35 毫米镧基合金体系（对应第二项科学发现，第 2，5 和6 篇代表性论文的通讯作者）。研发新型铜锆基大块无序合金材料（对应第三项科学发现，第 3 和8 篇论文的通讯作者）。


王晓东、排名2、副教授、浙江大学、浙江大学
对本项目贡献：在本项目中，本人主要贡献在于无序合金结构研究，同步辐射技术测量和数据分析（对应第二、第三项科学发现）（为第2,3,5,6和8篇代表性论文的作者）。本人在该研究中的工作量占本人工作量的90%。


曹庆平、排名3、副所长、副教授、浙江大学、浙江大学
对本项目贡献：在本项目中，本人主要贡献在于无序合金设计和力学性能研究（对应第二、第三项科学发现）（为第2,3,5 和8 篇代表性论文的作者）。本人在该研究中的工作量占本人工作量的 90%。


曾桥石、排名4、研究员、北京高压科学研究中心、浙江大学
对本项目贡献：在本项目中，本人主要贡献在于无序合金高压实验，同步辐射技术测量和数据分析（对应第一项科学发现）（为第 1、4、7 篇代表性论文的作者）。本人在该研究中的工作量占本人工作量的 60%。


楼鸿波、排名5、助理研究员、北京高压科学研究中心、浙江大学
对本项目贡献：在本项目中，本人主要贡献在于无序合金设计研究，同步辐射技术测量和数据分析（对应第二项科学发现）（为第 2 篇代表性论文的作者）。本人在该研究中的工作量占本人工作量的 60%。
完成人合作关系说明        完成人蒋建中、王晓东、曹庆平均为浙江大学教师，是浙江大学材料科学与工程学院新结构材料国际研究中心的核心成员，已进行长期合作。蒋建中教授为本项目负责人，全面负责项目执行、指导实验设计、数据分析、论文撰写，是本项目《锆基和镧基大块无序合金材料的制备和无序合金结构的研究》的主要完成人，是本项目8篇代表性论文的通讯作者。王晓东副教授参与本项目的无序合金结构研究，同步辐射技术测量和数据分析，是第2,3,5,6和8篇代表性论文的作者。曹庆平副教授也是本项目的骨干，主要参与本项目无序合金设计和力学性能研究，是第2,3,5和8篇代表性论文的作者。
    完成人曾桥石、楼鸿波是蒋建中教授培养指导的博士生，作为重要参与人参加本项目的研究。曾桥石博士主要参与无序合金高压实验，同步辐射技术测量和数据分析，是第1、4、7篇代表性论文的作者。楼鸿波博士主要参与无序合金设计研究，同步辐射技术测量和数据分析，是第2篇代表性论文的作者。
    完成人蒋建中教授在本项目执行期间，荣获了2004年“国家自然科学基金会杰出青年基金”；2006年“教育部长江特聘学者”；2009年“国家教育部高校优秀科研成果自然科学一等奖”；2010年 “中国侨界贡献奖（创新成果）”；2011年科技部973项目首席科学家等国家级重要荣誉称号，为本项目作出杰出成果贡献。完成人曹庆平副教授在项目研究期间2013年国际亚稳纳米材料会议（ISMANAM）上荣获“青年科学家奖”。完成人曾桥石博士荣获2012年全国优秀博士学位论文，均为本项目的重要成果。
        承诺：本人作为项目第一完成人，对本项目完成人合作关系及上述内容的真实性负责，特此声明。