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潛心科研三十年孕育陶鋁“大力士”

2017年10月16日 13:0 7180次瀏覽 來(lái)源:   分類(lèi): 鋁應(yīng)用

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     讓鋁里“長(zhǎng)”出陶瓷,造出了一個(gè)陶鋁“大力士”——王浩偉,這位上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的教授一下子出名了。
  王浩偉教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的陶鋁“大力士”正式名稱(chēng)叫作“納米陶瓷鋁合金”。這種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型材料比強(qiáng)度和比剛度可以超過(guò)鈦合金,但體重輕、“身價(jià)”低,將帶動(dòng)航空、汽車(chē)、高鐵行業(yè)步入更輕、更節(jié)能的新材料時(shí)代。
  陶鋁“大力士”助推“材料輕量化革命”
  “大家小時(shí)候都玩水玩沙子,我的專(zhuān)業(yè)就是把‘水’和‘沙子’摻在一起玩兒。”王浩偉所說(shuō)的“水”正是用于鑄造的金屬鋁,“沙子”則是陶瓷。鋁很輕,但太軟,易變形、易斷裂;陶瓷的強(qiáng)度和硬度非常好,但易碎。如果把陶瓷的屬性摻到鋁里,制作出來(lái)的材料會(huì)不會(huì)結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)?納米陶瓷鋁合金就是按照這個(gè)思路研究出來(lái)的,這項(xiàng)研究王浩偉一做就是30年。
  鋁里“摻”陶瓷的辦法說(shuō)起來(lái)容易,實(shí)際做起來(lái)沒(méi)那么簡(jiǎn)單。上世紀(jì)90年代,國(guó)際上陶鋁復(fù)合材料研究熱鬧了一段時(shí)間,當(dāng)時(shí)的通行方法是先把陶瓷制成顆?;蚶w維,然后用攪拌鑄造或粉末冶金的方法混入鋁合金中獲得鋁基復(fù)合材料。這種辦法提高了材料的強(qiáng)度和剛度,但是又會(huì)出現(xiàn)加工成形困難、強(qiáng)度及塑性差和性能不穩(wěn)定等一系列問(wèn)題,嚴(yán)重阻礙了這種材料的工程應(yīng)用,其研發(fā)也漸漸沉寂。
  王浩偉卻咬定青山不放松,為研發(fā)尋找新思路。“既然用物理方法從外面往鋁里摻陶瓷的路走不通了,我們又想了另外一個(gè)辦法——‘無(wú)中生有’,讓陶瓷自己從鋁里‘長(zhǎng)’出來(lái),這樣兩種材料就能相容了,如果再搞成納米,就把陶瓷的屬性真正加到了鋁里面,生成了一種渾然一體的新材料。”王浩偉介紹說(shuō),最終采用“原位自生技術(shù)”,通過(guò)熔體控制自生,陶瓷顆粒的尺寸由外加法的幾十微米降低到納米級(jí),突破了外加陶瓷鋁基復(fù)合材料塑性低、加工難等應(yīng)用瓶頸。
  這種納米陶瓷鋁合金,不僅重量輕,且具有高剛度、高強(qiáng)度、抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫等特點(diǎn),同時(shí)保持了鋁合金良好的加工制造性能,突破了規(guī)?;こ虘?yīng)用的瓶頸,已在航天、汽車(chē)、先進(jìn)電子設(shè)備領(lǐng)域得到了應(yīng)用。中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司副總經(jīng)理、C919大型客機(jī)總設(shè)計(jì)師吳光輝認(rèn)為:相比鋁鋰合金材料和碳纖維復(fù)合材料,納米陶瓷鋁合金具有更大的減重潛力,而且工藝性好、成本低,有望成為下一代航空新材料,使國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)更輕快、更安全地在藍(lán)天翱翔。他還透露,目前納米陶瓷鋁合金型材試驗(yàn)很讓人滿(mǎn)意,下一步將進(jìn)行板材和鍛件試驗(yàn)。
  為了讓納米陶瓷鋁合金盡快產(chǎn)業(yè)化、為社會(huì)創(chuàng)造出更大的價(jià)值,2017年8月4日,上海交通大學(xué)、安徽省淮北市人民政府、上海均瑤(集團(tuán))有限公司、安徽相邦復(fù)合材料有限公司簽署“四方協(xié)議”,依托王浩偉教授團(tuán)隊(duì)建設(shè)交大陶鋁新材料創(chuàng)新中心。上海交大先進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院院長(zhǎng)劉燕剛說(shuō):四方合作將搭建一個(gè)有利于納米陶瓷鋁合金拓展應(yīng)用的市場(chǎng)化運(yùn)作平臺(tái),建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料生產(chǎn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝以及使用標(biāo)準(zhǔn)等成套體系。
  五代“材料人”接力30余年
  納米陶瓷鋁合金從無(wú)到有,王浩偉教授描述得就像“玩水玩沙子”那么輕松,但實(shí)際上這種材料從研發(fā)到應(yīng)用歷經(jīng)30多年,凝結(jié)著上海交大老、中、青五代“材料人”的心血和努力。
  上世紀(jì)90年代,我國(guó)復(fù)合材料的創(chuàng)始人之一、上海交大金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建者吳人潔教授,最早提出了采用“原位自生”方法在鋁合金中長(zhǎng)出陶瓷增強(qiáng)體,制備鋁基復(fù)合材料,進(jìn)入當(dāng)時(shí)材料制備的“無(wú)人區(qū)”。
  “當(dāng)時(shí)國(guó)際上采用的都是鋁里‘摻’陶瓷的物理方法,效果都不是很理想;吳人潔教授第一次提出用化學(xué)方法在鋁里‘長(zhǎng)’陶瓷,這是非常新穎的思路。”王浩偉研究生階段師從在鑄造界享有盛譽(yù)的周堯和院士。1996年,周堯和院士在上海交大開(kāi)辟了“生態(tài)材料學(xué)”這一全新研究領(lǐng)域。在吳人潔教授和周堯和院士的指導(dǎo)下,王浩偉帶著團(tuán)隊(duì)的青年科研骨干持續(xù)攻關(guān),三十年磨一劍,終于迎來(lái)了納米陶瓷鋁合金的誕生。“除了周堯和院士和吳人潔教授兩位上世紀(jì)20年代出生的‘元老’以外,團(tuán)隊(duì)里的其他科研人員從40后、50后、60后、70后到80后老少共五代人,現(xiàn)在又帶領(lǐng)了新一代的90后。”王浩偉說(shuō),“周堯和院士當(dāng)年為了激勵(lì)生態(tài)材料學(xué)課題組內(nèi)的年輕人,斟酌再三,把生態(tài)材料學(xué)(Ecomaterials)的英文字頭ECO三個(gè)字母,重新詮釋出Excellence(卓越)、Cooperation(合作)和Originality(原創(chuàng))的含義。30年來(lái),這三個(gè)詞一直是支撐我們團(tuán)隊(duì)潛心科研的精神支柱。做出中國(guó)人真正原創(chuàng)的東西,是我們團(tuán)隊(duì)追求的終極目標(biāo)。”
  王浩偉團(tuán)隊(duì)的馬乃恒教授介紹說(shuō),材料攻關(guān)的過(guò)程很艱辛,尤其是開(kāi)初,學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足,王浩偉常常要扛著幾十公斤的實(shí)驗(yàn)材料去兄弟高校做實(shí)驗(yàn)。當(dāng)采用納米陶瓷鋁合金制備的裝備第一次通過(guò)試驗(yàn)考核時(shí),也許是因?yàn)槌晒蟮南矏?,又或者是多年科研攻關(guān)壓力的突然釋放,王浩偉在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)心臟病,幸虧救護(hù)車(chē)及時(shí)趕到。不過(guò),王浩偉說(shuō),成功屬于整個(gè)團(tuán)隊(duì),屬于上海交通大學(xué)。“堅(jiān)持走創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的發(fā)展道路,是加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的重要方針,高校作為科技創(chuàng)新的重要基地,是推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)不可或缺的重要力量,在重大原始創(chuàng)新、共性技術(shù)突破、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新以及推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化等方面,承擔(dān)著不可替代的職責(zé)與使命。”上海交通大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士林忠欽說(shuō)。

責(zé)任編輯:陳巖

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