魏炳波


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基本信息 The basic information

魏炳波

理学院

博士研究生毕业

博士

教授

副校长

物理学

bbwei@nwpu.edu.cn

教育经历 Education Experience

1983年,  毕业于山东工学院机械系铸造专业
1986年,  在南京工学院材料系获硕士学位
1989年,  在西北工业大学材料系获博士学位
1990年,  获德国洪堡基金
1994年,  获首届国家杰出青年基金
1998年,  评为首批长江学者特聘教授
2011年,当选为中国科学院院士

 

荣誉获奖 Awards Information

2000年评为全国先进工作者和全国五·一劳动奖章
2001年获国家基金委创新研究群体基金
所领导的空间材料科学团队于2007年获全国五·一劳动奖状
获国家自然科学二等奖
国家技术发明二等奖
国家教学成果二等奖
中国青年科学家奖
宝钢教育奖特等奖

省部级科技进步一等奖6项

培养的博士生中1人获全国优秀博士论文奖、2人获提名奖,3人获德国洪堡基金。  

 

科学研究 Scientific Research

       液态金属的凝固是一个复杂的液固相变过程。现代凝固理论体系主要描述的是小过冷或中等过冷条件下的凝固过程。近二十年来,超常条件下凝固过程研究迅速兴起,发现了一系列常规凝固过程中不可能出现的与深过冷条件密切相关的新现象和新规律,给现代凝固理论体系带来了严峻的挑战,也孕育着新的理论突破。在国家自然科学基金资助下,西北工业大学魏炳波院士及其课题组,对液态金属的深过冷实验方法、热力学特征、晶体形核规律和快速晶体生长动力学进行了系统的实验探索和理论分析,取得了重要进展,主要包括: 

(一)金属材料的超常凝固过程研究

      1990年以来,研究悬浮无容器状态、微或超重力环境和强物理场作用等超常条件下的凝固过程成为凝固科学技术领域的前沿问题。由于超常凝固实验设备与空间科学技术相关,欧美诸国拒绝提供给中国,迫切需要突破科学实验研究设备技术瓶颈。在国家载人航天921-2空间应用系统、国家863计划航天领域和国家自然科学基金的共同支持下,历经十多年自行研制了电磁悬浮、超声悬浮、静电悬浮、熔体浸浮和自由落体等五种实验设备,建立了一套功能互补的超常条件下金属材料快速凝固实验系统。取得了以下拥有自主知识产权的研究成果:

1、电磁悬浮无容器快速凝固技术研究

       在O.Muck(1923)电磁悬浮技术基础上,提出了对空间凝固过程进行主动过冷、动态检测和实时控制的集成实验模拟方法。在慢速冷却条件下实现快速凝固,建立了高效测定合金熔体表面张力和快速凝固速率的红外检测方法,并利用外部籽晶对无容器凝固过程实施主动控制。部级技术鉴定评价总体达到国际先进水平,部分技术处于领先地位,获发明专利3项,国家技术发明二等奖1项。

2、超声悬浮的优化设计理论及其应用研究

       经过十年系统研究,解决了长期阻碍声悬浮实际应用的悬浮力小和稳定性差的两个技术难题,取得三方面进展:(1) L.P.Gor’kov(1962)M.Barmatz (1985)工作基础上,建立了单轴式声悬浮的优化设计理论模型。(2) 通过对声悬浮过程的优化设计,大幅提高了悬浮能力和悬浮稳定性,在国际上首次悬浮起自然界中密度最大的固体铱(22.6g/cm3)和液体汞(13.6g/cm3)(3) 建立了声悬浮过程中谐振状态的优化控制方法,在国际上首次实现了爬行、水生和飞行等三类生物活体的稳定声悬浮,证明可以将声悬浮应用于生物医学材料研究。Nature杂志和Science网络版分别三次给予专题评论,充分肯定这三方面进展。

3、静电悬浮、熔体浸浮和自由落体条件下凝固过程研究

       熔体浸浮方法是将液态合金浸入熔融玻璃之中,由玻璃熔体产生浮力,实现类似无容器凝固。研制出3m微型落管微重力快速凝固实验设备,应用于研究航空航天用Al基、Ti基和Ni基合金的超常凝固过程。

       2002年以来,对静电悬浮过程中的关键控制技术进行了系统研究,继美国、德国和日本之后建立起拥有自主知识产权的单轴反馈控制静电悬浮实验设备。2013年获批国家重大科研仪器研制专项1项。

(二)液态金属深过冷与快速晶体生长研究

       传统凝固理论体系主要描述中小过冷条件下的常规凝固过程。但是,超常条件下的凝固过程引发了一系列与深过冷条件密切相关的新现象。19902003年,对液态纯金属和二元合金的深过冷现象、热力学特征、晶体形核规律和快速晶体生长动力学进行了系统的实验和理论研究,取得了三方面进展:

1、液态金属深过冷的热力学特性研究

       40余种二元合金熔体的过冷度达(0.15~0.28)TL水平。发现合金熔体过热是获得深过冷的首要条件,并揭示了过冷能力与形核机制和实验条件的相关规律。研究了深过冷合金熔体的热力学特征,测定出其比热和表面张力等热物性参数。

2、晶体形核与熔体过冷的相关规律研究

       阐明了深过冷条件下共晶、偏晶和包晶等三种不同类型二元复相合金的形核机制;揭示出即使过冷度超过0.2Tm,液态金属仍然优先发生异质形核;并发现声悬浮条件下合金熔体表面波动和超声空化效应均诱发异质形核。

3、深过冷条件下快速晶体生长机制研究

       阐明了快速枝晶生长的动力学规律;提出了快速共晶生长的理论机制;发现了快速偏晶凝固的相分离特征;揭示了快速包晶凝固的相选择和组织演变规律;实现了金属间化合物的快速生长;发现了微重力效应和深过冷条件对快速凝固过程的耦合作用机制。

(三)多元和复相合金的快速凝固研究

       传统凝固理论体系是以纯金属和二元合金作为研究对象建立起来的。鉴于工业应用的金属材料多数为复杂的三~六元合金,2003年以来开展了多元单相合金和三元复相合金的快速凝固研究,被国家自然科学基金委列为十五重大项目,并获创新研究群体基金支持。近年来,主要取得三方面研究进展:

1、亚稳三元合金熔体的热物理性质研究

       20余种多元和复相合金熔体达到(0.120.24)TL过冷度;实验测定并理论计算了一系列深过冷合金熔体的比热、表面张力、粘度和扩散系数;阐明了其热物理性质随温度和微观结构变化规律。

2、多元单相合金的快速枝晶生长研究

系统地测定了三~六元单相合金中枝晶生长速度的变化规律,揭示出枝晶生长随过冷度呈双指数型函数关系。发现当过冷度充分大时,枝晶组织向等轴晶转变,并可实现无偏析快速凝固。

3、三元复相合金的超常快速凝固研究

       提出了三元共晶快速生长的理论机制;阐明了三元偏晶合金的相分离规律以及偏晶胞和壳核组织形成条件;揭示了三元包晶合金的亚稳相分离和组织演变特征。 

       通过国家重大项目的支持,完成了创新研究群体基金项目、国家杰出青年基金项目、国家“921工程项目和国家“863计划项目等多项国家级课题,2013年获批国家重大科研仪器设备研制专项1项。发表学术论文300余篇,会议报告55篇,国防科技报告4篇,并获发明专利3项。研究成果得到Nature杂志和Science网站的专题评论3次。 

 
 

综合介绍 General Introduction

魏炳波,男,1964年4月生于山东省惠民县。中国科学院院士,我国首批长江学者特聘教授和杰出青年基金获得者,国家级有突出贡献专家。现任西北工业大学党委常委、副校长,理学院应用物理系教授,博士生导师。兼任国家自然科学基金委金属学科评委,国家863计划航天技术领域专家组成员,教育部科技委材料学部副主任,中国材料研究学会副理事长、中国航空学会、中国空间科学学会理事。