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朱品文:在“高压”中寻求动力
2013-07-08 11:01:30   来源:   评论:0 点击:

       2007年以来,吉林大学超硬材料国家重点实验室教授朱品文一直从事大腔体超高静水压实验技术、超硬多功能材料的高温高压制备及其物性、高压原位物质性质测量等研究工作。在执著勤勉的追求下,他在“高压”研究上取得了一系列创新性成果,并赢得了业内的充分肯定。2011年,他申请了“基于铰链式六面体压机的超高压装置”的发明专利,同年,“锰的硼化物的高温高压制备方法”获专利授权;2013年,他所开发的“一种产生大腔体超高静水压的装置”和“铰链式六面顶液压机用的顶锤固定装置”获得国家发明专利授权。
“高压”是一柄科研锐器
       吉林大学超硬材料国家重点实验室,是我国唯一的超硬材料国家重点实验室。1995年,朱品文在吉林大学获得学士学位后,即进入该实验室,师从赵永年教授开展超硬材料立方氮化硼薄膜研究;1998年起,他又追随我国著名高压物理科学家邹广田院士,攻读博士学位,进行高温高压下功能材料的制备及其物理研究工作。在邹广田院士的指导下,他创新性地将高压方法可以有效地调制材料性能,诱发常规条件所无法得到的新性质新现象的优点,率先在国际上开展了高温高压下制备热电材料及其物性的研究工作,并制备出高热电性能的材料。此后,高温高压制备热电材料、研究压力效应对其性质的影响逐渐成为热电材料研究领域的一个新方向,引发了多个研究单位的响应。而利用高压手段研究材料的性质,寻找新材料,也成为他近年来研究工作的重点。
        在朱品文的研究中,大腔体超高压实验技术便是亮点之一。作为发展材料科学、地球科学、物理学等研究的动力,我国目前的六面顶液压机并不能满足高压科学研究的迫切需要。根据大质量支撑原理,朱品文创新性地研制出了新型高压顶砧,在不使用二级增压材料以及不改变原有高压腔体体积大小的前提下,使高压腔体的极限压力值得到了提高,由6.0万大气压增加到10.0万大气压。这不仅能为高压科学和材料科学等研究提供新的技术支撑,还能彻底改变我国在大腔体超高压技术上完全依赖于国外六-八面体超高静水压技术的现状。该工作已申请并公开国家发明专利3项。
        为了解决新型环保再生能源——热电材料的效率提升问题,朱品文及课题组创新性地将高压效应可有效调制材料性能等优点引入到热电材料的制备及其相关的原位物性研究中,尤其是在制备多元化合物中,成功地抑制了AgSbTe2、AgSbPb18Te20合成过程中的相偏析,得到了高热电性能的AgSbTe2材料。同时,利用不同的掺杂剂、温度梯度法成功制备出具有连续载流子浓度分布的功能梯度热电材料PbTe。该方法为制备热电器件提供了一种新的思路,并获得国家发明专利1项。而他们首次利用高压原位同步辐射实验技术,得到的热电材料Mg2Si高压新相结构数据,多次被他人用于佐证和支撑他们的工作(累计引用18次)。
        近年来,由于可能具有新型多功能超硬特性,过渡族金属硼化物受到广泛关注。然而,在高熔点和复杂的相成分之下,如何制备纯相的化合物就十分困难了。朱品文及课题组迎难而上,利用高温高压制备方法和化学计量配比的原材料,成功制备出多种纯相过渡族金属硼化物,并首次从实验上得到了MoB2的维氏硬度,MoB2与Mo2B5晶体结构的不同导致的维氏硬度差异,为寻找和制备具有优异的力学、电学、热学性能的潜在多功能超硬材料奠定了坚实的基础。该工作已申请国家发明专利4项,其中1项已获授权,其他相关实验结果正在整理中。
       此外,他们还利用弧光放电方法成功制备出AlN各种纳米结构,并研究了不同AlN纳米结构的发光特性与机制;利用掺杂方法和弧光放电方法相结合,成功制备出AlN基稀磁纳米半导体材料,为稀磁半导体的研究提供了新的研究思路;将电纺丝和热处理技术相结合,解决了碳化物与碳的结合力的难题,首次成功制备出高熔点碳化物TiC-C复合纳米纤维,不仅有效地保护了C纤维,并将其机械性能提高了4倍,为制备高熔点碳化物以及碳化物-碳复合材料提供了一种新的思路和方法。相关研究成果发表SCI论文十余篇,并被《材料科学进展》等杂志的综述文章引用。2009年,又被Nature China《自然·中国》评选为我国材料和物理领域的研究亮点。
“高压”引领科学前景
        多年来,朱品文主持了国家自然科学基金“高温高压下导体物质输运性质原位测试技术”项目,作为骨干参与了国家自然科学基金委重点项目“过渡金属化合物超硬多功能材料的高压理论设计与合成”。他参与的国家自然科学基金委重大科学仪器设备研制专项“新一代大型超高压产生装置”,也颇具有影响力,将为高压科学和材料科学提供强有力的技术支撑。他共发表被SCI收录的学术论文60余篇,被引用500余次。他申请国家发明专利5项,获吉林省科技进步一等奖1项。2009年,他作为组委会副秘书长参与筹备并举办了中国超硬材料发展论坛暨第3届中国金刚石相关材料及应用学术研讨会;2010年,作为组委会主要成员参与筹备并举办了第4届国际新金刚石与纳米碳材料国际会议;2012年,作为组委会副秘书长参与筹备并举办了第2届中国材料学会超硬材料及制品分会暨第6届中国金刚石相关材料及应用学术研讨会。
        据他介绍,高压科学的发展强烈依赖技术的进步。在所有的与高压科学相关的研究工作中,尽管发现了许多新现象新规律,带来了大量的创新性成果,但80%以上的成果均受限于压力极限、过小的样品量而留有缺憾。当此之际,新一代大型超高压产生装置的建立就成为攀登高压极端条件顶峰的最有力工具。新一代大型超高压产生装置的创新将使嵌入的小压机突破原来的最高压力300万大气压的极限,达到1000万大气压,从而解决以前由于压力极限限制所不能解决的许多重大科学问题,如金属氢、静高压与动高压的数据衔接等。新一代大型超高压产生装置的突破还能够解决现有的高压装置所不能完成的科学研究工作,例如,较高压力下的流变、扩散、催化、力学性质、热学性质等问题。如此一来,新一代大型超高压产生装置不仅能在高压力、大尺寸、一次成型的部件生产中发挥重大作用,如大尺寸金刚石聚晶、导弹整流罩等,还可以在更广阔的温度压力范围进行物质创新,实现高压在能源、环境、材料方面的产业化乃至国防工业等方面广泛的、不可取代的功能。
       “高压科研近十年欣欣向荣,蓬勃发展。但真要破壁飞去,成为未来物质科学的重要一维空间及高科技产业化的支柱,在大型压机装置方面还有待进一步突破。”朱品文说,“目前国际上一些先进的研究团体已经认识到大腔体超高压的重要性。美国和日本都研制出了20万~30万大气压、腔体在立方毫米数量级的中性压机,但这些距离目前的需求还差的很远。为此,高压研究领域处于国际领先地位的美国卡内基研究院还曾在去年提出巨型压机的研制计划,尽管反应甚佳,但由于财政紧张,计划还是被迫延后。而我们发展了一个与以前观念不同的大腔体超高压设计新思路,是一个捷足先登的好时机。”
      对于自己的研究思路,朱品文充满了信心。2012年,他入选教育部“新世纪优秀人才”支持计划。未来几年,他将围绕“过渡族金属硼元素体系超硬多功能材料的高温高压制备”以及“基于六面顶液压机的大腔体超高压实验技术及其高温高压原位导体物质输运性质测量技术”展开更加深入的探索,力争国际上游,为提升实验室高压科学研究实力而努力。

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