自19世紀(jì)末被首次工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，鋁合金已走過(guò)百余年的發(fā)展歷程。從最初作為奢侈品亮相，到如今成為支撐現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)材料，其應(yīng)用版圖不斷擴(kuò)張。從航空航天到船舶、車(chē)輛，從高樓、橋梁到工業(yè)設(shè)備，甚至日常生活中的一口鍋、一個(gè)易拉罐，鋁合金的身影無(wú)處不在。它以高強(qiáng)度、輕量化等出色的性能深度嵌入現(xiàn)代文明的肌體，為眾多行業(yè)帶來(lái)了新的變革。然而，隨著各行各業(yè)對(duì)材料性能的要求日益增長(zhǎng)，傳統(tǒng)鋁合金在耐熱性、抗疲勞性等方面逐漸顯露出局限，現(xiàn)有材料體系面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，亟須通過(guò)新理論、新方法實(shí)現(xiàn)跨越式提升。

▲但承益

“機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)的興起和快速發(fā)展，正深刻改變傳統(tǒng)材料科學(xué)的研究范式。增材制造等新興制備工藝的不斷突破，正推動(dòng)新材料與新工藝的深度融合，引領(lǐng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的技術(shù)變革。”香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系助理教授但承益表示，科研如登山，她希望能夠在迎接挑戰(zhàn)的過(guò)程中，為高性能鋁合金制備賦予新的生命力。

探明微觀(guān)“筋骨”

隨著大飛機(jī)制造、探月工程等重大空天技術(shù)的發(fā)展，新一代空天裝備對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度和減重提出了更高要求。如同一枚硬幣的兩面，金屬材料在強(qiáng)度提升的同時(shí)，往往會(huì)付出犧牲塑性的代價(jià)。如何突破這一“強(qiáng)韌倒置”的困境，實(shí)現(xiàn)綜合力學(xué)性能的提升，是領(lǐng)域內(nèi)的前沿科學(xué)問(wèn)題，也正是但承益致力于解開(kāi)的難題。

早在法國(guó)巴黎薩克雷大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，但承益便開(kāi)始專(zhuān)注于鋁合金強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)與塑性變形研究。2019年年底回到母校上海交通大學(xué)后，她進(jìn)一步拓展研究方向。恰好，但承益所在的團(tuán)隊(duì)購(gòu)置了電子顯微鏡、原位拉伸儀等先進(jìn)設(shè)備，她與團(tuán)隊(duì)協(xié)作搭建了一套集成原位跨尺度力學(xué)測(cè)試、先進(jìn)表征技術(shù)及高通量機(jī)器學(xué)習(xí)的研究平臺(tái)?！敖柚@一平臺(tái)，我們可以以每個(gè)晶粒為基本單元，原位追蹤其從變形到斷裂的全過(guò)程，結(jié)合高通量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)‘化整為零，逐一賦值，統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)’的跨尺度力學(xué)性能評(píng)估。”但承益表示，“通過(guò)結(jié)合原位力學(xué)先進(jìn)表征和機(jī)器學(xué)習(xí)的方式，可以實(shí)現(xiàn)材料從微觀(guān)應(yīng)力分布到裂紋萌生直至宏觀(guān)失效的跨尺度物理解構(gòu)。”

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)揭示了多種第二相顆粒在變形過(guò)程中的應(yīng)力協(xié)同調(diào)控及加工硬化機(jī)制，提出了多尺度構(gòu)型強(qiáng)韌化方法與設(shè)計(jì)原理，發(fā)明了多尺寸強(qiáng)化相、共格相界面及雙峰晶粒復(fù)合構(gòu)型協(xié)同調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋁合金模量、強(qiáng)度、塑性的同步提升?！巴ㄟ^(guò)精準(zhǔn)調(diào)控多尺度界面結(jié)構(gòu)，讓材料在保持高強(qiáng)度的同時(shí)也能擁有良好的塑性，從而滿(mǎn)足復(fù)雜構(gòu)件的成形要求。”但承益說(shuō)。目前，該系列研究成果已成功應(yīng)用于多項(xiàng)航空航天重大工程。

扭轉(zhuǎn)增材劣勢(shì)

“疲勞”，是但承益研究中的一個(gè)關(guān)鍵詞。在工程領(lǐng)域，疲勞是金屬材料最隱蔽的“殺手”。它并非源于一次性重?fù)?，而是在無(wú)數(shù)次循環(huán)載荷下，材料內(nèi)部逐漸累積損傷，最終引發(fā)突然斷裂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的金屬結(jié)構(gòu)失效事故都與疲勞有關(guān)，優(yōu)異的抗疲勞性能則是保障金屬構(gòu)件長(zhǎng)期安全穩(wěn)定的生命線(xiàn)。當(dāng)增材制造（3D打?。┘夹g(shù)應(yīng)用于金屬材料時(shí)，其加工周期短、材料利用率高、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)勢(shì)令人矚目，被視為推動(dòng)制造業(yè)變革的核心技術(shù)之一。然而一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題也隨之而來(lái)：3D打印過(guò)程中難以完全避免的微觀(guān)缺陷，往往成為疲勞裂紋萌生的“策源地”，嚴(yán)重制約3D打印金屬作為主承力結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用?！耙凿X合金為例，學(xué)界普遍認(rèn)為3D打印出的鋁合金疲勞性能差，難以滿(mǎn)足構(gòu)件安全服役的可靠性要求?！钡幸嫣寡?，她最初也接受這一判斷，但一次意外的實(shí)驗(yàn)顛覆了她的想法。

“我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)3D打印的鋁合樣品疲勞性能非常優(yōu)異，是文獻(xiàn)報(bào)道打印鋁合金疲勞性能的兩倍，甚至超過(guò)了傳統(tǒng)高強(qiáng)鋁合金的疲勞性能?！边@個(gè)結(jié)果令但承益和團(tuán)隊(duì)難以置信。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)制備、跨機(jī)構(gòu)送檢和系統(tǒng)驗(yàn)證，他們終于確認(rèn)了該發(fā)現(xiàn)的可靠性。重復(fù)制備多個(gè)樣本并送交不同機(jī)構(gòu)檢測(cè)后，結(jié)果也一致。進(jìn)一步研究表明，是3D打印過(guò)程中逐層快速凝固形成的三維連續(xù)共晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予了材料天然的高抗疲勞特性。

這無(wú)疑是一個(gè)激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，它表明3D打印技術(shù)本身并非疲勞性能差的“原罪”；恰恰相反，其獨(dú)特的快速凝固過(guò)程，很可能打開(kāi)了設(shè)計(jì)超高疲勞強(qiáng)度材料的一扇新大門(mén)。但承益和團(tuán)隊(duì)以陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁硅鎂合金為研究對(duì)象，揭示了其內(nèi)部三維連續(xù)微納雙相共晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抑制疲勞損傷累積的機(jī)制?！按饲?，傳統(tǒng)鋁合金的抗疲勞強(qiáng)度只能達(dá)到抗拉強(qiáng)度的1/3，但我們發(fā)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)可將材料的本征疲勞極限提升至抗拉強(qiáng)度的85%，與既有認(rèn)知形成鮮明對(duì)比?！蹦壳?，她正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)深入探究三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)位錯(cuò)演化及疲勞破壞機(jī)制，旨在將3D打印過(guò)程中的微觀(guān)結(jié)構(gòu)從“缺陷”轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍鲃?dòng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，為高抗疲勞增材制造金屬材料的開(kāi)發(fā)提供理論支撐，并將該機(jī)制拓展至更廣泛的材料體系。

科研如登山

“科研就像登山，整體上是一個(gè)不斷攀登的過(guò)程，但途中總有起伏，我們的狀態(tài)也難免隨之波動(dòng)?！钡幸嬲f(shuō)，“我的方法是，探索科學(xué)邊界就像在霧中行走，短暫的迷茫在所難免，但不能停下腳步。正如詩(shī)中所言，‘山重水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村’，只要堅(jiān)持下去，總能撥開(kāi)迷霧。”她也將這種理念傳遞給學(xué)生。她喜歡挑戰(zhàn)，習(xí)慣打破舒適圈，卻自稱(chēng)“科研保守派”，從不要求學(xué)生必須在短時(shí)間內(nèi)有產(chǎn)出，而是希望他們面對(duì)任何課題，都要沉下心來(lái)做足調(diào)研，“將整體輪廓勾勒完成后再更進(jìn)一步”。在她的經(jīng)驗(yàn)中，科研難題往往卡在進(jìn)度條最后的5%～10%上?！暗悴豢赡苤苯犹魬?zhàn)最后這一道關(guān)，而是要先積累起跨過(guò)前90%的能力。我希望能通過(guò)扎實(shí)的科學(xué)訓(xùn)練，讓學(xué)生擁有能夠突破科研邊界的能力，找到最快解決問(wèn)題的切入點(diǎn)?！?/p>

眼下，但承益正在香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系重新組建團(tuán)隊(duì)、搭建實(shí)驗(yàn)室。自2025年3月到任以來(lái)，她一直在為此而忙碌，并不在意當(dāng)下的千頭萬(wàn)緒，而是更看重未來(lái)。隨著“十五五”規(guī)劃明確將航空航天、低空經(jīng)濟(jì)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)來(lái)發(fā)展?！皩?duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常好的發(fā)展方向，因?yàn)殇X合金本來(lái)就是當(dāng)前最輕的結(jié)構(gòu)材料之一?！钡幸鎸?duì)此充滿(mǎn)期待，但同時(shí)，她也清醒地看到目前適用于增材制造的鋁合金體系還十分有限?！拔覀冃枰_(kāi)發(fā)更多新材料，進(jìn)一步挖掘其高強(qiáng)韌、抗疲勞性能，豐富鋁合金材料體系，使其更輕、更強(qiáng)，也更適配未來(lái)輕量化設(shè)備的發(fā)展。”這將是她瞄準(zhǔn)的又一座山峰，扎實(shí)科研、再攀高峰，她已是蓄勢(shì)待發(fā)、信心滿(mǎn)滿(mǎn)。

專(zhuān)家簡(jiǎn)介

但承益，香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系助理教授。于上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院獲學(xué)士/碩士學(xué)位，法國(guó)巴黎薩克雷大學(xué)獲博士學(xué)位；2019年博士畢業(yè)后在上海交通大學(xué)金屬?gòu)?fù)合材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后/助理研究員；2025年3月加入香港城市大學(xué)。長(zhǎng)期聚焦金屬材料增材制造、高通量原位力學(xué)、金屬材料疲勞、塑性變形及再結(jié)晶等方向，相關(guān)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目C類(lèi)及深圳市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等持續(xù)資助；擔(dān)任廣東省材料研究學(xué)會(huì)激光與增材制造專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員；擔(dān)任《稀有金屬》《材料信息學(xué)學(xué)報(bào)》《粉末冶金材料科學(xué)與工程》等期刊青年編委；在《自然·材料學(xué)》（Nature Materials）、《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia）、《國(guó)際可塑性雜志》（International Journal of Plasticity）、《書(shū)面材料》（Scripta Materialia）等期刊發(fā)表論文30余篇。