坚忍不拔，探索固体内部的微观过程

方前锋

2021年4月22日，中国科学院合肥物质科学研究院葛庭燧极限特性材料攻关突击队正式成立。仪式上，平均年龄34岁的11名青年科研攻关突击队员在队旗前庄严宣誓：“传承以葛庭燧院士为代表的老科学家精神，以极限特性材料攻关为使命……听从党的召唤，弘扬新时代科学家精神……”。突击队将致力于“0到1”的突破，为实现科技自立自强贡献力量，围绕国家重大战略需求，瞄准材料领域“卡脖子”问题，深入研究极限条件下材料的服役性能，突破关键核心材料研制。

内 耗

材料的内耗在数值上定义为材料在振动过程中单位弧度内损耗的机械能与最大弹性储能之比。振动着的固体即使与外界完全隔绝，其机械振动能也会逐渐衰减下来，这种由于材料内部原因而引起的机械能量损耗称为内耗。内耗学是凝聚态物理与材料科学的交叉学科，同时也是研究固体缺陷与力学性质的一种重要的实验技术，它能够很灵敏地反映固体中点缺陷、位错、界面等的存在及其运动变化和相互作用情况，从而能够获得材料中各种微观过程的定性和定量信息。因为机械振动能的耗散是通过内部机制来完成的，所以材料的这种性质强烈地依赖于材料的微观结构和缺陷，同时也与外部环境的物理参量密切相关。当把内耗表示成温度、频率、应力振幅、外加电场或磁场等外部参量的函数时，将得到一系列分立的或连续的谱，称之为内耗谱（或力学谱）。探索新谱线并研究这些谱线产生的机制，可以得到对应微观过程的物理参数，是内耗与力学谱这门学科的主要研究内容之一。

传统的微结构表征方法（如X射线衍射、正电子湮灭技术和电子显微技术等）获得的是材料微结构的静态信息，而且有时需要破坏试样的状态。要得到微结构变化过程的信息，特别是缺陷弛豫过程的动力学参数，谱学技术（如光谱、介电谱、内耗谱等）是非常行之有效的方法。它们的特征都是以一定频率的交变信号去刺激样品，测量其反应信号。当外加频率与样品中结构弛豫的本征频率相近时，反应信号将会出现极大值，得到一条谱线。由于其高频率特性，通常的光谱只能探测到电子跃迁和晶格本征振动等快速过程，而不能探测到点缺陷、位错和晶界等固体缺陷的慢跃迁过程（根据温度的不同，这些慢跃迁过程的本征频率一般在千赫及以下）。内耗谱的测量频率范围千赫至微赫，完全覆盖了缺陷慢跃迁过程（如点缺陷在相邻平衡位置间的跃迁过程）的本征频率范围，而且所加的刺激信号为交变应力，反应信号为应变，所以适用于任何能够传播弹性应力波的物体，测量内耗谱被证明是研究缺陷弛豫过程和微结构变化的最有效手段之一。

葛 氏 扭 摆

在“葛氏扭摆”发明以前，金属内耗的测量手段主要采用超声衰减和声频共振方法，所使用的交变应力频率在千赫至兆赫。这么高的测量频率使得大多数内耗现象只能出现在很高的温度，不容易被探测到。1945年，葛庭燧创造性地将在大学物理实验时所学到的测量杆状金属试样切变模量所用扭转振动装置的原理应用到内耗测量上，设计和研制出能够满足测量内耗要求的低频扭摆内耗仪（频率范围为0.1～10 赫）。这个装置可以很方便地测量低频内耗和动态弹性模量，以作为温度的函数，从而能够很方便地测出众多物理化学过程相关的激活能，使内耗和动态弹性模量的宏观测量能够提供试样内部结构的信息。这在内耗测量技术上是一个重要的创新，该成果在1947年发表以后，国际同行纷纷按照这个设计建立了类似装置，大大促进了内耗研究的发展。1957年，英国麦克伦教授（D. McLean）在他的名著《金属的晶界》中特辟1章介绍葛庭燧所提出的测量方法，并称他是把扭擺和扭动装置融为一体的第一人，该装置被命名为葛氏扭转装置。

随后，葛庭燧用葛氏扭摆发现了晶界内耗峰。当振动频率为0.8赫时，多晶铝的内耗在285摄氏度达到最大值，高度为0.09。对于单晶试样来说，在整个测量温度的范围内，内耗都很低且随温度单调上升。这个内耗峰只在多晶体中出现，在单晶体中不出现，说明它与晶界在外加应力作用下的运动有关。它不但在多晶铝中出现，也在多晶镁中出现，因而是一种普遍现象。一系列的实验结果证明晶界具有黏滞性质，并且通过晶界内耗峰的激活能推算出晶界黏滞系数随温度变化的数学表达式。把算出的黏滞系数外推到铝的熔点温度时，与关于铝晶体在熔点温度的实验值相同。所得到的晶界黏滞滑动弛豫强度之值与甄纳教授 （C. Zener）关于滞弹性的理论所得到的计算值相同。葛庭燧的工作发表在《物理评论》（Physical Review）1947年4月刊上，1948年甄纳出版了经典名著《金属的弹性和滞弹性》，就引用了他的工作。可以说，关于铝的晶界内耗峰的工作奠定了滞弹性内耗理论的实验基础。这是唯一能够把晶界本身的性质与晶界对于试样所发生的影响两者截然分开的定量工作，而晶界内耗峰也被国际学术界称为“Kê peak”（葛氏峰）。根据晶界黏滞滑动具有激活能并与原子扩散过程有关的事实，葛庭燧认为引起晶界黏滞滑动的因素是分离的具有某种局部结构的一些缺陷单元，并提出了大角晶界的“无序原子群”模型，即晶界是由许多无序原子群组成的，在每个群里总有几个原子之间比较松动一些，从而在这几个原子周围的应力分布与其他地方不同，在切应力和热激活的作用下它们能够挤开周围的原子而发生相对滑动。

非线性内耗研究

内耗现象根据其是否与应变振幅有关而分为线性的和非线性的，大多数内耗现象是线性的，即与应变振幅无关。非线性滞弹性是葛庭燧在总结了大量实验结果的基础上提出来的一个新概念，用来表征固体材料的这样一种性质，即在很低的应力振幅下（小于10-5G，G为切变模量），弛豫型的内耗也表现出振幅效应。它所反映的实际上是在低应力振幅下，动态应力与应变的非线性关系。非线性滞弹性内耗的特点是既出现温度内耗峰（当内耗作为温度的函数时），同时又在温度内耗峰出现的温度区间内出现振幅内耗峰（当内耗作为振幅的函数时），且温度内耗峰随着频率的降低而向低温移动，表现出弛豫的性质。经过几十年来在铝—镁（AlMg）、铝—铜（Al-Cu）合金中的大量工作，发现了与溶质原子和位错（弯结）交互作用有关的7个温度内耗峰，奠定了非线性滞弹性这门新学科的实验基础。

葛庭燧从事非线性滞弹性内耗研究是一个艰苦的研究过程，这个过程大致可以分为三个阶段。

发现现象（1948—1949年）

葛庭燧回国前在美国的最后2年。继发明葛氏扭摆和发现葛氏峰之后，葛庭燧又发现了一种新现象。他在冷加工的铝—铜（Al-0.5wt%Cu）合金中，在室温附近观察到了非线性滞弹性现象。因为Cu 在Al中的固溶度很低，在Al-0.5wt%Cu合金中很容易出现沉淀过程，因此他把非线性滞弹性现象直观地解释为与沉淀过程有关。但后来的研究证明，这个最初的解释是错误的。这说明，对现象本质的认识，不能只凭直觉，而必须经过严格的论证和分析。

认清机理（1952—1966年）

1952年，葛庭燧在沈阳金属研究所建立了中华人民共和国成立后的第一个内耗实验室，继续对非线性滞弹性现象进行深入研究。除了重复Al-Cu合金中的现象外，还在Al-Mg合金中观察到了类似的现象。由于Al-Mg合金中不存在沉淀过程，再加上在完全退火的试样中以及高纯Al中没有看到此现象，葛庭燧科研小组逐步认识到，非线性滞弹性现象应该与位错和溶质原子的交互作用有关。进一步的分析研究表明，所牵涉的位错运动应该是通过弯结沿位错线的侧向运动来实现的，而溶质原子的扩散是在位错芯区的管道扩散，从而提出了位错弯结—溶质原子芯气团模型，准确揭示了该现象的物理本质。

创建理论（1980—2000年）

1980年，葛庭燧从沈阳来到合肥，建立了中国科学院固体物理研究所内耗与固体缺陷重点实验室，进一步从事非线性滞弹性现象的实验和理论研究。在此期间，他和研究生们发现了位于室温附近的非线性滞弹性内耗峰由两个子峰组成，并分别对应于溶质原子在位错芯区的横向（垂直于位错线）和纵向（平行于位错线）的扩散过程。他们先后在低于室温和高于室温的温度范围，发现并系统研究了5个与位错和溶质原子的不同组态有关的内耗峰，完整地勾画出了位错与溶质原子交互作用相对应的内耗谱。他们构造了溶质原子在位错芯区的扩散方程，并通过解析和数值方法计算出了内耗曲线，这些曲线与非线性滞弹性现象的实验结果一致，从而初步建立了非线性滞弹性的理论框架。非线性滞弹性的实验发现和理论建立，不但为内耗学科开辟了新的研究领域，而且使人们可以通过实验直接测量出溶质原子在位错芯区的扩散激活能，而这种科学数据是通过别的方法很难得到的。

经过坚持不懈的努力，葛庭燧科研小组从发现现象，开始建立模型，逐步深化认识，到最终在系统研究非线性滞弹性实验现象的基础上，建立了较完整的理论体系，成果先后获得了国家自然科学奖三等奖和中国科学院自然科学奖一等奖。这期间，曾有过久无进展的茫然，也有过不被理解的苦恼和坐冷板凳的孤独，但从未有过放弃继续深入研究的念头，几经周折，终于走出困境。我们年轻科技人员应当继承和践行老一辈科学家“持之以恒、锲而不舍”的科学精神，为实现“中国梦”贡献我们的力量。

学 科 展 望

根据内耗与力学谱这门学科的自身发展需要，必须进一步开拓内耗测量新技术（如纳微尺度试样内耗测量技术等）和深入研究内耗新机理（如耦合弛豫机理等）。此外，还必须充分利用内耗技术简单、方便和灵敏的特点，将内耗技术应用于凝聚态物理和材料科学的相关研究中，提供其他实验手段不易得到的有用信息。在应用于凝聚态物理研究方面，内耗技术可以研究相应的物理过程或物理量变化，并得到定量的信息，例如固溶体（固溶度）、擴散（系数）、热激活参数、相变、缺陷状态与弛豫行为（点缺陷弛豫、位错弛豫、晶界弛豫）等。在应用于材料科学研究方面，内耗技术可以设计新型高阻尼材料，研究阻尼机理，研究新型功能材料（如高温超导材料、巨磁电阻材料、离子导体、铁电压电材料、一维纳米材料等）的缺陷弛豫和相变动力学，并可以解决生产实际中的问题（如低碳钢中固溶碳含量测定、晶界偏析成分测定等）。

中国科学院固体物理研究所一直坚持内耗与固体缺陷的研究方向。2021年，科研团队在基础研究领域，用内耗的方法揭示出了一系列新型功能材料的缺陷行为，为材料设计和性能优化以及寿命评估提供了理论指导；在应用研究方面，研制出了“高性能阻尼器”，已作为结构/功能一体化重要关键构件应用于各种型号高分（高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率）卫星中，特别是助力2019年发射的“高分七号卫星”，实现了亚米级高分辨率立体测绘。相信年轻的“葛庭燧极限特性材料攻关突击队”的队员们也必将在未来取得新的成绩。

关键词：葛庭燧 内耗 葛氏扭摆 葛氏峰 非线性滞弹性 ■