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潜心科研三十年孕育陶铝“大力士”
中国军工资源网    2017-10-11 00:54:12    文字:【】【】【

周尧和院士与王浩伟教授(右)讨论陶铝新材料。上海交通大学供图

让铝里“长”出陶瓷,造出了一个陶铝“大力士”——王浩伟,这位上海交通大学材料科学与工程学院的教授一下子出名了。

王浩伟教授团队研发的陶铝“大力士”正式名称叫作“纳米陶瓷铝合金”。这种具有自主知识产权的新型材料比强度和比刚度可以超过钛合金,但体重轻、“身价”低,将带动航空、汽车、高铁行业步入更轻、更节能的新材料时代。

陶铝“大力士”助推“材料轻量化革命”

“大家小时候都玩水玩沙子,我的专业就是把‘水’和‘沙子’掺在一起玩儿。”王浩伟所说的“水”正是用于铸造的金属铝,“沙子”则是陶瓷。铝很轻,但太软,易变形、易断裂;陶瓷的强度和硬度非常好,但易碎。如果把陶瓷的属性掺到铝里,制作出来的材料会不会结合两者的优点?纳米陶瓷铝合金就是按照这个思路研究出来的,这项研究王浩伟一做就是30年。

铝里“掺”陶瓷的办法说起来容易,实际做起来没那么简单。上世纪90年代,国际上陶铝复合材料研究热闹了一段时间,当时的通行方法是先把陶瓷制成颗粒或纤维,然后用搅拌铸造或粉末冶金的方法混入铝合金中获得铝基复合材料。这种办法提高了材料的强度和刚度,但是又会出现加工成形困难、强度及塑性差和性能不稳定等一系列问题,严重阻碍了这种材料的工程应用,其研发也渐渐沉寂。

王浩伟却咬定青山不放松,为研发寻找新思路。“既然用物理方法从外面往铝里掺陶瓷的路走不通了,我们又想了另外一个办法——‘无中生有’,让陶瓷自己从铝里‘长’出来,这样两种材料就能相容了,如果再搞成纳米,就把陶瓷的属性真正加到了铝里面,生成了一种浑然一体的新材料。”王浩伟介绍说,最终采用“原位自生技术”,通过熔体控制自生,陶瓷颗粒的尺寸由外加法的几十微米降低到纳米级,突破了外加陶瓷铝基复合材料塑性低、加工难等应用瓶颈。

这种纳米陶瓷铝合金,不仅重量轻,且具有高刚度、高强度、抗疲劳、低膨胀、高阻尼、耐高温等特点,同时保持了铝合金良好的加工制造性能,突破了规模化工程应用的瓶颈,已在航天、汽车、先进电子设备领域得到了应用。中国商用飞机有限责任公司副总经理、C919大型客机总设计师吴光辉认为:相比铝锂合金材料和碳纤维复合材料,纳米陶瓷铝合金具有更大的减重潜力,而且工艺性好、成本低,有望成为下一代航空新材料,使国产大飞机更轻快、更安全地在蓝天翱翔。他还透露,目前纳米陶瓷铝合金型材试验很让人满意,下一步将进行板材和锻件试验。

为了让纳米陶瓷铝合金尽快产业化、为社会创造出更大的价值,2017年8月4日,上海交通大学、安徽省淮北市人民政府、上海均瑶(集团)有限公司、安徽相邦复合材料有限公司签署“四方协议”,依托王浩伟教授团队建设交大陶铝新材料创新中心。上海交大先进产业技术研究院院长刘燕刚说:四方合作将搭建一个有利于纳米陶瓷铝合金拓展应用的市场化运作平台,建立具有自主知识产权的材料生产、产品设计、制造工艺以及使用标准等成套体系。

五代“材料人”接力30余年

纳米陶瓷铝合金从无到有,王浩伟教授描述得就像“玩水玩沙子”那么轻松,但实际上这种材料从研发到应用历经30多年,凝结着上海交大老、中、青五代“材料人”的心血和努力。

上世纪90年代,我国复合材料的创始人之一、上海交大金属基复合材料国家重点实验室创建者吴人洁教授,最早提出了采用“原位自生”方法在铝合金中长出陶瓷增强体,制备铝基复合材料,进入当时材料制备的“无人区”。

“当时国际上采用的都是铝里‘掺’陶瓷的物理方法,效果都不是很理想;吴人洁教授第一次提出用化学方法在铝里‘长’陶瓷,这是非常新颖的思路。”王浩伟研究生阶段师从在铸造界享有盛誉的周尧和院士。1996年,周尧和院士在上海交大开辟了“生态材料学”这一全新研究领域。在吴人洁教授和周尧和院士的指导下,王浩伟带着团队的青年科研骨干持续攻关,三十年磨一剑,终于迎来了纳米陶瓷铝合金的诞生。“除了周尧和院士和吴人洁教授两位上世纪20年代出生的‘元老’以外,团队里的其他科研人员从40后、50后、60后、70后到80后老少共五代人,现在又带领了新一代的90后。”王浩伟说,“周尧和院士当年为了激励生态材料学课题组内的年轻人,斟酌再三,把生态材料学(Ecomaterials)的英文字头ECO三个字母,重新诠释出Excellence(卓越)、Cooperation(合作)和Originality(原创)的含义。30年来,这三个词一直是支撑我们团队潜心科研的精神支柱。做出中国人真正原创的东西,是我们团队追求的终极目标。”

王浩伟团队的马乃恒教授介绍说,材料攻关的过程很艰辛,尤其是开初,学校实验设备不足,王浩伟常常要扛着几十公斤的实验材料去兄弟高校做实验。当采用纳米陶瓷铝合金制备的装备第一次通过试验考核时,也许是因为成功后的喜悦,又或者是多年科研攻关压力的突然释放,王浩伟在实验现场突发心脏病,幸亏救护车及时赶到。不过,王浩伟说,成功属于整个团队,属于上海交通大学。“坚持走创新驱动的发展道路,是加快建设制造强国的重要方针,高校作为科技创新的重要基地,是推动创新驱动不可或缺的重要力量,在重大原始创新、共性技术突破、产学研协同创新以及推动成果转化等方面,承担着不可替代的职责与使命。”上海交通大学校长、中国工程院院士林忠钦说。

不做老板做老师

科研中孜孜以求,讲台上更不含糊。从1997年开始为本科生上基础课,在讲台上站了20年,王浩伟如今每次上课前夜仍会“习惯性”失眠。“材料学的原理说白了就是打铁、翻砂,要让学生喜欢上自己所学,不花心思怎么行?”所以,王浩伟每次上课前夜都睡不着。

王浩伟上的课叫作《材料加工原理》,一看名称感觉挺枯燥,但却被学生们追着上。因为枯燥的原理被王老师讲得妙趣横生:下雨天,调皮的小孩撑伞时一转,水滴四散开,这里面有什么原理?泡茶时,为什么上面的茶味淡,下面的茶味浓,每口茶的成分一样吗?零度的水能结冰吗,结冰的过程又是怎样?……王浩伟每节课至少都得抖一个“大包袱”,再枯燥的原理学生也能记得住、学得进。在他的课堂上,小孩子吹泡泡、甩泥巴,都能和材料学原理扯上关系。

王浩伟说:教材总是从理论到理论,其中的枯燥会让学生望而却步。而科学原理终究是要用来解决实际问题的,生活中的小事足以囊括一本教科书中的原理。今年的《材料加工原理》期末考试,王浩伟出的压轴大题是:“夏天吃冰棍,哪部分最甜?”学生们告诉记者,这道看起来好玩的题目和材料科学关系大着呢。一根冰棍里,最甜的肯定是糖分浓度最高的那截,这得用传热与润湿、结晶形核与生长、凝固过程中的溶质再分配等大量材料学基础知识,进行综合计算和分析,基本功不扎实,肯定做不出来。

在学生们眼中,“上王老师的课就像打怪升级,每解决一道生活问题,犹如胜利通关。”他们不知道的是,为了想出办法领着他们胜利通关,王老师经常彻夜难眠。

王浩伟用上课的魅力将不少学生引进了科研的大门,夏存娟就是其中之一。2003年时,她在王老师的课堂上萌生了对科研的兴趣,如今已经是王浩伟团队的骨干。在她眼中,讲课时的王老师幽默风趣,科研时的王老师却非常严厉,夏存娟就曾经因为科研立意不够高被剋哭过。很多研究生习惯在背后称呼导师为“老板”,到了王浩伟这儿,“老板”这个词绝不让叫。“我是老师,不是什么‘老板’,学生是来跟着我学东西的,不是来打工的。”他要求自己带的博士生论文选题“立得高”,只做前人没做过的事还不够,得瞄准国家和社会的需要解决问题。

在王浩伟教授的带动下,这支队伍踏实地耕耘在科研一线。“我们30年只专心做了一件事,值了。”王浩伟说。

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