张孝文

张孝文 ,193510月出生,浙江宁波人。材料学博士生导师。1957年毕业于清华大学机械制造工程系,初期从事金属材料教学及研究工作。20世纪70年代初开始转攻新型陶瓷材料。曾任清华大学化工系非金属材料教研组副主任、系副主任等职,1983~1984年在美国Lehigh大学及U C Berkeley从事研究工作。回国后任化工系主任、副校长,1988~1994年任清华大学校长,1993~1998任国家教委副主任、国务院学位委员会副主任。1990年入选为世界陶瓷科学院院士,2004年被选为中国硅酸盐学会名誉理事长。主要研究方向是电子陶瓷材料的制备科学以及结构与性能关系,包括显微结构特征及研究方法、电子陶瓷的缺陷化学、复合钙钛矿结构材料的有序无序转变及其对弛豫铁电材料特性的影响等。曾获国家发明奖二等奖、三等奖各1项,部委科技进步奖4项。 发表论文200余篇,拥有8项专利。

主要科技成就包括以下几个方面。

一、对“复合钙钛矿结构材料有序-无序相变”的规律和弛豫铁电体介电特性研究所做出的贡献有序-无序结构相变是材料科学的一个有重要的理论和实际应用意义的课题。复合钙钛矿结构材料则是无机非金属材料领域内重要的研究及开发对象。结构有序化的程度对材料的性能有重要影响,例如随着有序化程度的提高,微波介质陶瓷Ba(Zn1/3Ta2/3)O3的介电损耗能降低一个数量级,有序化也被认为是区分普通铁电体与弛豫铁电体的一个重要的结构因素,因此研究结构有序化的机理,成为理解复合钙钛矿结构材料特征的一个基本理论问题,被认为是“一个热点也是难点”。

在复合钙钛矿结构材料的有序-无序相变研究方面,国内外的大量工作主要集中在实验研究及对现象进行经验性综合的唯象分析上。过去最有代表性的工作是1980年由 Cross等总结出来的用离子半径差和电价差等来做判断的五条经验规则。张孝文的主要贡献是从物理模型及基本理论出发进行演绎分析和计算,求得了影响有序化各种因素的一个可以进行计算的解析判据式,指出了过去未注意到的材料介电常数变化对有序化的重要影响。理论不仅能解释很多重要的实验现象,而且很好地预见及纠正了过去一些不正确的实验结果,也有用新的实验证实该研究成果。这项工作成果,受到国内外同行广泛引用及积极评价,认为这“是唯一的涉及B—位离子有序化的理论文章”;“计算公式完满地解释了A(BB)O3型复合钙钛矿结构有序-无序相变的几个重要特性”;是“开启了研究有序化机理的新方法”等等。应用这个理论,他对弛豫铁电陶瓷的制备,提出了控制材料有序度的新工艺,改善了材料的综合机电性能,取得了发明专利。在对有序-无序相变规律有清楚认识的基础上, 他进一步探索了微结构变化对材料性能的影响,建立了弛豫铁电体极性微区转向极化的物理模型,描述了实际材料中的介电响应过程。提出了在有纳米尺度的结构相弥散分布在另一种结构相基体的两相材料中存在着一种“各态遍历空间逐步缩小”相变理论,成功地解释了弛豫铁电体在弱场下出现的很多重要的介电特性。

二、对一系列有重要影响材料的制备科学研究做出的贡献

陶瓷低温烧结技术对于环保、节能等都有重要意义,所遇到的困难,主要是降低温度和保持良好性能的兼得。20世纪80年代初,以最常用的铁电压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)为突破口,提出采取“过渡液相”的技术路线,认为关键是寻找既能促进坯体致密化,又能在烧结后期与基体形成固溶体的玻璃相添加剂。在国际上率先解决了能把PZT烧结温度降低250~300℃,而仍能保持良好性能的成果。以后他又和课题组的同事们一起推广到对独石电容器等陶瓷器件制造中。

国际上大量使用的钛酸钡多层独石电容器,电极使用钯、铂等贵金属, 成为成本的主要部分,一直有使用贱金属来替代的设想。但使用镍等金属,在氧化气氛下烧结,电极会丧失导电性;而在还原气氛下烧结,钛酸钡会半导化而丧失绝缘性。80年代出现了用掺少量受主杂质在还原气氛下烧结钛酸钡陶瓷的专利,但机制没有弄清楚,开发工作缺乏理论指导。张孝文教授所作的研究, 发现Ca2+不仅可以受主取代Ti4+进入B位,影响钛酸钡的电导性能;也可在取代Ba2+进入A位而引起生成焓的变化,这两者都使含钙的BaTiO3高温电导曲线向还原气氛方向移动,使钙成为有效的掺杂离子。他对BaTiO3缺陷化学的研究,为贱金属电极的开发与使用提供了重要的理论基础,所发表的论文在国际上被引为这个领域的代表作之一。

近年来提出了多元系钙钛矿结构材料的“准同型相界线性组合原理”,为在多元系陶瓷中寻找提高压电性能的组成提供了有效的途径。提出要严格区分“多形态相变”和“准同型相界”的本质区别,对无铅压电陶瓷的开发指出了重要的方向,引起了国内外同行的广泛的好评和重视。

三、对铁电畴结构、形态及运动规律的研究做出的贡献

对在外场作用下铁电畴取向变化的观察,他改进了过去用测量应变等间接推算的方法, 在国际上最早推导出用X光衍射技术(XRD)对极化过程电畴取向变化直接进行定量计算的公式,并提出了描述极性电畴在空间取向分布函数的测定方法,有关结果被编入“铁电物理学”。在对PCT(Pb05Ca05)TiO3进行高分辨电镜观察中,从原子点阵图像首次清晰地见到了(100)、(110)、(111)多种有序结构的共存的情况, 成功地验证了他们提出过的“原子位形几率波”理论的预测。他在应用XRDSEM(扫描电子显微镜)、TEM(透射电子显微镜)等技术对铁电畴形态、运动及形成机理的研究及发现,不仅丰富了人们对电畴的微结构特征及其变化规律的认识,也在研究及表征方法上作了贡献,为其后的研究工作所广泛引用。

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