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潜心科研三十年孕育陶铝“大力士”
作者:qywhb  时间:2017年 10月18日     点击:613 [ ]

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。