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青春足迹 | 邱蔡豪:成长故事

 时间:2021-06-10  浏览:1211

大学四年的时光如白驹过隙,四年来的点点滴滴还历历在目。遥想刚进入交大时自己对未来的道路尚不明了,到现在我对金属材料的科学研究这一方向充满了信心和坚定。这四年在交大的学习生活一定会成为我的一生中一段难以忘怀的经历。

在进入交大之后,基于我高中对化学的痴迷,我选择了我们材料学院,并期待着我能接触并研究高分子材料。但是在进入学院之后发现材料学院的绝大多数老师教授都是在进行金属材料的研究。虽说有了一丝丝的失落,但是我还是决定对金属材料进行一点了解。特别是在大一期间,我们材料学院开展了本科生导师制。我在众多的导师中,向我们金属基复合材料国家重点实验室的主任张荻老师递交了申请,并很幸运地成为张老师的指导学生。也正是这一选择成为了我在大学期间开始我的科研之路,并在科研上取得了一些小小的成绩的开始。在大一下学期的时候,张老师向我介绍了他两个课题组的研究内容和研究成果。在张老师的介绍中,一些在PPT内的照片吸引了我的注意。特别是仿生层状石墨烯增强铝基复合材料的微观组织表征和建模拟实仿真的图,让我一下子改变了我对金属材料研究的态度。我发现原来金属材料的研究并不是简单的冶金提炼等工艺,而是一个包含着众多研究方法、研究门类的学科,而这次张老师的介绍让我对金属材料的研究产生了一些兴趣。

在进入了大二之后,我决定正式进入张老师的课题组,学习怎么进行金属材料的科学研究。由于张老师平时非常忙,于是张老师将我托付给课题组的苏益士老师,进行对金属基复合材料的建模拟实研究开展了学习。记得在初见苏老师的那天,苏老师先很热情的询问了我的情况,并鼓励我在学习上努力的同时,也要在生活中有自己的精彩。之后,苏老师就向我科普了在金属基复合材料中的多尺度建模拟实的方法。特别是他在讲起原子尺度模拟如第一性原理和分子动力学时,他提到虽然他不是做这个方向的,但这个方向对我们现在的研究有很大的意义,希望我能够去自己学习一下这个模拟方法。当时我回去之后查阅了第一性原理和分子动力学模拟的资料,发现了这两种模拟都是基于量子力学和统计力学的,背景知识晦涩难懂。当时心里就打起了退堂鼓,但是苏老师勉励我,并给了我建议说现将软件的操作学习起来,通过学习每一个操作来了解每一个操作背后的知识。于是,我开始了漫漫的学习软件之旅。与此同时,我也开始了第一门专业课《材料热力学》的学习,这门课的特点就是介绍材料研究中的物理学背景,学习的也是热力学当中晦涩难懂的概念公式。而任课老师金学军和李金富老师的教学却是将晦涩难懂的知识讲的非常生动,将每个概念的来源、具体含义和在具体科研中的应用。在材料热力学的最后一章中,我们还学习了一些统计热力学的知识,为我自学第一性原理和分子动力学模拟的背景知识打下了基础。终于,在经历了一个学期的啃课本、推公式的学习后,基本掌握了第一性原理和分子动力学模拟的基本原理和软件的运用。

在进入大二下学期后,我开始了我第一个科研项目。我和苏老师一起立了一个PRP项目,用第一性原理模拟研究陶瓷/金属界面的性能。在这个项目中,我首先学会了科研的基本能力——阅读文献。在阅读了大量的文献之后,我发现已有很多的文献已经对众多不同的陶瓷/金属界面的界面能和电子云分布。和苏老师讨论后,他建议我进行对SiC/Al界面进行研究,而且不能仅仅模仿现有文献的方法,要有所创新。我就发现了现有文献对陶瓷/金属界面的力学行为研究很少,而在实际中陶瓷/金属界面的力学性能对金属基复合材料的力学性能有很大影响。因此,在这次PRP项目中我不仅运用广被运用的方法研究了SiC/Al界面的界面稳定性,我还对SiC/Al界面开展了单轴拉伸和剪切模拟。在项目的开展过程中让我留下最深的影响的在计算SiC/Al界面稳定性时,由界面粘附功得出的结论和界面化学能给出的结论相矛盾。在遇到了这个困难后,我经过了几天的思考和查阅文献,我得出了一个结论:界面能不仅仅是由界面化学能单独构成的,还有界面弹性能的影响因素。虽然一般的界面界面弹性能所占比例不高,但由于SiC和Al的错配过大,界面弹性能在界面能中的占比就增高了,也就引起了表面上的结论矛盾。在这次的经验后,我学会了遇到困难不能过于急躁或是直接否定已有的结论,要把各个方面都考虑才能获得正确的结论。在完成了全部的模拟工作之后,我和苏老师决定将完成的研究工作写成文章发表出去。在这之前,我由于参加了材料学院的国际化试点班,进行了全英文上课,并且平时也学习托福。所以当我自认为写一篇英文的科研论文并不是一件难事,于是我按照自己的想法完成初稿。但是苏老师看了初稿之后,对我的初稿提出了非常多的意见。首先,我的论文写作不够科研写作的水平,高考英语和托福写作的模式是不适用与科研写作的。科研写作要有逻辑,但用词不能啰嗦,简明扼要地将研究背景和得出的结论表述出来。其次,我在初稿中用的图表都不规范,格式不统一。而且,我并没有将小图拼成大图。苏老师说,科研论文中每一张大图就是一个故事,大图中的小图都要围绕大图的主要内容进行选择和排版,使得读者能通过图表就明白这个科研工作的主要内容和行文逻辑。于是,我在苏老师的建议下,一稿一稿地修改我的论文。最终,我花了近2个月,将初稿中的逻辑以及图表一步一步地改进,在大三开学时完成了终稿的确定,并讲科研工作发表在了国际计算材料学领域的知名期刊《Computational Materials Science》上面,并在PRP答辩时获得了优秀项目的荣誉。

对我大学时印象最深的一门课可以说是大三上学期孔令体老师上的《材料力学性能》。在完成第一个PRP项目之后,对金属材料特别是金属基复合材料的力学性能有了一些初步的认识,但仅局限与拉伸与剪切变形中的断裂滑移行为,并没有接触到更广泛的力学性能与微观组织变形之间的关系。在这门课中,孔老师将宏观力学性能与微观组织之间的关系作为整门课的重点,通过理论公式和实际前沿科研中的问题相结合的方式,把金属材料中的弹性、塑性、断裂、疲劳和蠕变等的力学性能都生动的讲解。特别是塑性变形与增强机理的章节,孔老师让我们分成了四个小组,分别介绍金属材料四大增强机制——固溶强化、加工硬化、细晶强化和析出强化。在我们组的presentation中,我们介绍了细晶强化的机制、微观组织和宏观强化之间的关系。通过我们自己的介绍,我更加深入的了解了简洁的Hall-Petch效应公式背后的位错运动。同时,孔老师的研究方向就是金属材料的原子尺度模拟,于是在课间的时候我也像孔老师讨论了许多分子动力学模拟的问题。特别是我在阅读一篇CNT/Al分子动力学模拟的文章时,在其设计周期性的时候有了一丝困惑。于是在和孔老师的讨论中,明白了这篇文章中正确的设置方法。同时,孔老师还在一些分子动力学模拟软件LAMMPS的编程语言方面给了我许多的建议,让我也能快速的掌握LAMMPS软件的使用。

在大三的时候,我也开始了我的第二个科研项目,这也是有我和苏老师在讨论中迸发的idea。有一次的交谈中,苏老师提到金属基复合材料的发展现在遇到一些瓶颈,我们传统的单一陶瓷增强相增强的金属基复合材料在强韧性匹配上仍不能实现。微米陶瓷颗粒增强的金属基复合材料强度模量高,但是其塑性韧性差;纳米陶瓷颗粒增强的金属基复合材料塑性韧性好,但是强度模量较低。于是,我们课题组的博士师兄进行了将微米颗粒和纳米颗粒混合制成微纳米颗粒混杂增强相,再将其加入金属基体内制成SiC(CNT)/Al混杂增强金属基复合材料。但是,由于其在陶瓷/金属界面微区内的相非常多而且微观结构非常复杂,常用的实验手段如微柱压缩、原位拉伸和纳米压痕等都很难直接获得混杂增强复合材料界面微区的界面行为和增强机制。于是我就提出是不是能用分子动力学模拟方法,把所有可能的界面结构都建模计算,来实现短时间和多任务地揭示混杂增强复合材料界面微区的力学性能研究。苏老师当即就觉得可行,并一起立了一个大创的项目。当我们去年12月开题后不久,新冠疫情就爆发了,在居家隔离时,我也并没有放下我们的大创项目。我从现有较多的简单二元陶瓷-金属界面如SiC/Al、CNT/Al、Graphene/Al等的分子动力学建模拟实的文章中汲取灵感。基于博士师兄实验中所测得的XRD衍射图,分析了SiCp颗粒的成分、混杂增强复合材料复合材料界面微区的TEM形貌,创造性地建立了SiC/Ni/CNT、SiC/CNT/Al以及SiC/Ni/CNT/Al多元界面原子尺度模型。由于我们的模拟体系比较大,普通的PC和工作站很难跑得动,我们就采用了我们课题组自己的高性能计算集群。处于疫情期间,学生无法返回校园,我只能远程和苏老师配合。在进行计算的时间里,我向苏老师学习了许多Linux系统的使用方法,并在计算过程中不断地和苏老师交流获得的结论。苏老师也及时的向我提了一些建议,进一步的将研究深入下去。比如,当我计算完SiC/Ni/CNT/Al界面微区的力学性能后,苏老师说是不是能考虑一些更多可能的界面结构,比如CNT与SiC不想连的情况。我也考虑到CNT的长度对界面微区力学性能也会有非常大的影响,于是对这些情况也进行了模拟。

在完成了所有的SiC(CNT)/Al界面微区的分子动力学模拟之后,我就开始处理已获得的数据。由于我们的计算任务非常多,导致数据量也非常大,在整理海量数据时我一时也迷失了方向,到底哪些数据是我真正需要的,而哪些是可以舍弃的。而在我眼里这些数据都好像是非常重要的,哪一个都不能舍弃。在跟苏老师进行了深入的交流,他让我试着作为一个局外人来看待我们这一个科研项目,他最想从我们的项目中知道些什么,而哪些是次要的。有了这个思考之后我马上就思路清晰了起来。讲不太重要的和较啰嗦的数据内容摒弃后,我将获得的数据做成图表,根据一个一个研究主题将40多张小图拼成了8张大图。并完成了我的论文写作。但这篇论文其实是“命运多舛”,大三下半学期的5月份向期刊提交了初稿,但经过审稿后被两个期刊的审稿人和编辑拒稿。我的心情一度十分低落,也一度对我研究内容意义的怀疑。但在这个时候,苏老师勉励我说所科研工作的人遇到这点事情是非常正常的,那些科研大牛的文章有的不也是屡“战”屡“败”,但是他们屡“败”又屡“战”了,通过审稿人的意见不断打磨自己的文章和打磨自己的idea,最终也成为了科研领域的领头羊。所以我也沉下心来,将我们的论文从头到尾的修改了一遍,将全文的逻辑理顺,将研究意义突出,将模拟方法的描述完善,将结果讨论部分的表达简练。最终,这篇文章在今年5月也就是距离写完初稿近一年后被复合材料领域内的top期刊《Composites Part B》收录。

进过大学四年的学习与科研上的历练,我发现了自己真正喜欢干的事业就是进行对金属材料界面行为的研究,尤其是通过强大的原子尺度模拟来解释一些实验中难以解释的现象,也为实验提供一些指导。更重要的是,我学会了要不骄不躁、不被一些挫折而打到的科研态度。在接下的学习中,我联系到了国际多尺度模拟和晶界动力学研究的知名专家、美国工程院院士和材料研究会会士David Srolovitz教授进行博士研究。我也相信有了这四年的磨炼,我在将来进行科学研究时严谨认真、不骄不躁、有自己的思考和认识,也相信我会在将来的研究中做出自己对金属材料领域的贡献!

思政教师评语:

邱蔡豪同学在上海交通大学本科在读期间在各方面都取得了一些成绩,在诸多方面都获得了能力的提升,也找到了他自己未来奋斗的道路。在学习成绩方面,他四年学积分排名全年级第9,其中大二和大三年级位列年级第7和第2。由于其优异的学习成绩,在大三年级时获得了国家奖学金以及在大二大三年级时获上海交通大学B等奖学金。在科学研究方面,他四年中积极参加科研活动,在金属基复合材料国家重点实验室张荻和苏益士课题组内参与了共四项科研项目,并在其中担任组长的工作。特别是他参加的项目多次获得优异考评,如第35期PRP优秀项目、2020年度校级十佳大创项目和“钱学森杯”二等奖。在完成科研项目的同时,他还以第一作者的身份发表了3篇SCI论文,其中一篇发表在中科院一区的复合材料领域内的Top期刊《composites Part B: Engineering》上。此外,他还热心参与学院组织的活动。特别是他参加了2020年材料学院主办的“志宏”先进材料国际暑期学校,并担任了后勤组的组长。在疫情期间,他和组员配合一起完成了暑期学校繁杂众多的后勤工作,同参与讲座的国内外教授沟通讲座细节和给国内外的学生解答疑难,并获得了优秀学员和优秀志愿者的荣誉。基于邱蔡豪同学在读期间的优异表现,他符合上海市优秀毕业生的资质。

 

 

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