潛心科研三十年孕育陶鋁“大力士”

2017-10-06 00:19:50 來源:黃海新聞網 責任編輯:黃海新聞網

  

 

  周堯和院士與王浩偉教授(右)討論陶鋁新材料。上海交通大學供圖

  讓鋁里“長”出陶瓷,造出了一個陶鋁“大力士”——王浩偉,這位上海交通大學材料科學與工程學院的教授一下子出名了。

  王浩偉教授團隊研發的陶鋁“大力士”正式名稱叫作“納米陶瓷鋁合金”。這種具有自主知識產權的新型材料比強度和比剛度可以超過鈦合金,但體重輕、“身價”低,將帶動航空、汽車、高鐵行業步入更輕、更節能的新材料時代。

  陶鋁“大力士”助推“材料輕量化革命”

  “大家小時候都玩水玩沙子,我的專業就是把‘水’和‘沙子’摻在一起玩兒。”王浩偉所說的“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,制作出來的材料會不會結合兩者的優點?納米陶瓷鋁合金就是按照這個思路研究出來的,這項研究王浩偉一做就是30年。

  鋁里“摻”陶瓷的辦法說起來容易,實際做起來沒那么簡單。上世紀90年代,國際上陶鋁復合材料研究熱鬧了一段時間,當時的通行方法是先把陶瓷制成顆粒或纖維,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合材料。這種辦法提高了材料的強度和剛度,但是又會出現加工成形困難、強度及塑性差和性能不穩定等一系列問題,嚴重阻礙了這種材料的工程應用,其研發也漸漸沉寂。

  王浩偉卻咬定青山不放松,為研發尋找新思路。“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辦法——‘無中生有’,讓陶瓷自己從鋁里‘長’出來,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,最終采用“原位自生技術”,通過熔體控制自生,陶瓷顆粒的尺寸由外加法的幾十微米降低到納米級,突破了外加陶瓷鋁基復合材料塑性低、加工難等應用瓶頸。

  這種納米陶瓷鋁合金,不僅重量輕,且具有高剛度、高強度、抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫等特點,同時保持了鋁合金良好的加工制造性能,突破了規模化工程應用的瓶頸,已在航天、汽車、先進電子設備領域得到了應用。中國商用飛機有限責任公司副總經理、C919大型客機總設計師吳光輝認為:相比鋁鋰合金材料和碳纖維復合材料,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,使國產大飛機更輕快、更安全地在藍天翱翔。他還透露,目前納米陶瓷鋁合金型材試驗很讓人滿意,下一步將進行板材和鍛件試驗。

  為了讓納米陶瓷鋁合金盡快產業化、為社會創造出更大的價值,2017年8月4日,上海交通大學、安徽省淮北市人民政府、上海均瑤(集團)有限公司、安徽相邦復合材料有限公司簽署“四方協議”,依托王浩偉教授團隊建設交大陶鋁新材料創新中心。上海交大先進產業技術研究院院長劉燕剛說:四方合作將搭建一個有利于納米陶瓷鋁合金拓展應用的市場化運作平臺,建立具有自主知識產權的材料生產、產品設計、制造工藝以及使用標準等成套體系。

  五代“材料人”接力30余年

  納米陶瓷鋁合金從無到有,王浩偉教授描述得就像“玩水玩沙子”那么輕松,但實際上這種材料從研發到應用歷經30多年,凝結著上海交大老、中、青五代“材料人”的心血和努力。

  上世紀90年代,我國復合材料的創始人之一、上海交大金屬基復合材料國家重點實驗室創建者吳人潔教授,最早提出了采用“原位自生”方法在鋁合金中長出陶瓷增強體,制備鋁基復合材料,進入當時材料制備的“無人區”。

  “當時國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方法在鋁里‘長’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的周堯和院士。1996年,周堯和院士在上海交大開辟了“生態材料學”這一全新研究領域。在吳人潔教授和周堯和院士的指導下,王浩偉帶著團隊的青年科研骨干持續攻關,三十年磨一劍,終于迎來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20年代出生的‘元老’以外,團隊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,現在又帶領了新一代的90后。”王浩偉說,“周堯和院士當年為了激勵生態材料學課題組內的年輕人,斟酌再三,把生態材料學(Ecomaterials)的英文字頭ECO三個字母,重新詮釋出Excellence(卓越)、Cooperation(合作)和Originality(原創)的含義。30年來,這三個詞一直是支撐我們團隊潛心科研的精神支柱。做出中國人真正原創的東西,是我們團隊追求的終極目標。”

  王浩偉團隊的馬乃恒教授介紹說,材料攻關的過程很艱辛,尤其是開初,學校實驗設備不足,王浩偉常常要扛著幾十公斤的實驗材料去兄弟高校做實驗。當采用納米陶瓷鋁合金制備的裝備第一次通過試驗考核時,也許是因為成功后的喜悅,又或者是多年科研攻關壓力的突然釋放,王浩偉在實驗現場突發心臟病,幸虧救護車及時趕到。不過,王浩偉說,成功屬于整個團隊,屬于上海交通大學。“堅持走創新驅動的發展道路,是加快建設制造強國的重要方針,高校作為科技創新的重要基地,是推動創新驅動不可或缺的重要力量,在重大原始創新、共性技術突破、產學研協同創新以及推動成果轉化等方面,承擔著不可替代的職責與使命。”上海交通大學校長、中國工程院院士林忠欽說。

  不做老板做老師

  科研中孜孜以求,講臺上更不含糊。從1997年開始為本科生上基礎課,在講臺上站了20年,王浩偉如今每次上課前夜仍會“習慣性”失眠。“材料學的原理說白了就是打鐵、翻砂,要讓學生喜歡上自己所學,不花心思怎么行?”所以,王浩偉每次上課前夜都睡不著。

  王浩偉上的課叫作《材料加工原理》,一看名稱感覺挺枯燥,但卻被學生們追著上。因為枯燥的原理被王老師講得妙趣橫生:下雨天,調皮的小孩撐傘時一轉,水滴四散開,這里面有什么原理?泡茶時,為什么上面的茶味淡,下面的茶味濃,每口茶的成分一樣嗎?零度的水能結冰嗎,結冰的過程又是怎樣?……王浩偉每節課至少都得抖一個“大包袱”,再枯燥的原理學生也能記得住、學得進。在他的課堂上,小孩子吹泡泡、甩泥巴,都能和材料學原理扯上關系。

  王浩偉說:教材總是從理論到理論,其中的枯燥會讓學生望而卻步。而科學原理終究是要用來解決實際問題的,生活中的小事足以囊括一本教科書中的原理。今年的《材料加工原理》期末考試,王浩偉出的壓軸大題是:“夏天吃冰棍,哪部分最甜?”學生們告訴記者,這道看起來好玩的題目和材料科學關系大著呢。一根冰棍里,最甜的肯定是糖分濃度最高的那截,這得用傳熱與潤濕、結晶形核與生長、凝固過程中的溶質再分配等大量材料學基礎知識,進行綜合計算和分析,基本功不扎實,肯定做不出來。

  在學生們眼中,“上王老師的課就像打怪升級,每解決一道生活問題,猶如勝利通關。”他們不知道的是,為了想出辦法領著他們勝利通關,王老師經常徹夜難眠。

  王浩偉用上課的魅力將不少學生引進了科研的大門,夏存娟就是其中之一。2003年時,她在王老師的課堂上萌生了對科研的興趣,如今已經是王浩偉團隊的骨干。在她眼中,講課時的王老師幽默風趣,科研時的王老師卻非常嚴厲,夏存娟就曾經因為科研立意不夠高被剋哭過。很多研究生習慣在背后稱呼導師為“老板”,到了王浩偉這兒,“老板”這個詞絕不讓叫。“我是老師,不是什么‘老板’,學生是來跟著我學東西的,不是來打工的。”他要求自己帶的博士生論文選題“立得高”,只做前人沒做過的事還不夠,得瞄準國家和社會的需要解決問題。

  在王浩偉教授的帶動下,這支隊伍踏實地耕耘在科研一線。“我們30年只專心做了一件事,值了。”王浩偉說。

  (本報記者 曹繼軍 顏維琦)

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