作者:黄辛 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/8/6 12:12:50
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上海交通大学研制出超强纳米陶瓷铝合金

 

8月5日,记者从上海交通大学陶铝新材料新闻发布会上获悉,该校材料科学与工程学院王浩伟教授团队让铝里“长”出陶瓷,造出了一个陶铝“大力士”,这个“大力士”身轻如燕却力大无穷,比强度和比刚度甚至超过了“太空金属”钛合金,它不仅为具有完全自主知识产权的“中国制造”增添了一个新成员,还有望“四两扛千斤”,带动航空、汽车、高铁领域步入更轻、更节能的新材料时代。

据悉,这种材料从研发到应用历经30余年,背后凝结着上海交大五代“材料人”的心血和努力:他们淡然看待外界的各种诱惑,对待科研,则像一把“利剑”无所畏惧地深入到一个个科学难题中攻坚克难,最终创造出了中国原创的新材料,并使它具备了强大的力量。

未来,上海交大将继续在推动科技成果转化的道路上不断努力,进一步打通从实验室到市场的‘绿色通道’,为服务国家、服务社会做出更多贡献。” 上海交大校长、中国工程院院士林忠钦表示。

铝里“长”陶瓷,纳米陶瓷铝合金四两“扛”千斤

铝里还能“长”陶瓷?“能!”王浩伟教授说,近30年来,他带领团队成员一起“玩儿”的就是这个。

“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。”王浩伟教授所说的“水”正是用于铸造的金属铝,“沙子”则是陶瓷。铝很轻,铝合金材料可以使手机、电脑变得更加轻薄便携,但铝的“弱点”也很明显:虽然它的韧性不错,但因为太软,易变形、也易断裂,到了对材料的强度和硬度要求都很高的场合显然“撑不了场”。

什么东西比钢铁还硬?人们马上想到,是陶瓷。“一般人印象中陶瓷是很容易碎的,但如果只论硬度,陶瓷比钢铁要硬很多。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?果然,按照这个想法做出来的铝基复合材料性能一下就上来了,它重量轻、硬度大,有韧性又不易断裂变形,在某些方面甚至超过了钢铁!”

铝里“掺”陶瓷的办法说起来容易,实际做起来没那么简单。目前国际上传统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,这种办法能提高材料的强度和刚度,可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。

“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。”王浩伟教授介绍说,他们最终采用了“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,即使外来作用力‘泰山压顶’,纳米陶瓷铝合金也能做到‘岿然不动’,可以称得上是四两‘扛’千斤了。

或成为新一代航空材料,助国产大飞机“更轻”翱翔

把纳米陶瓷颗粒引入到铝合金,提高了材料的刚度、强度,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。

复合材料是航空材料领域争夺的技术高地,“一代材料,一代飞机”,每一次航空材料的变革都带来了航空技术的巨大进步。为了保证飞行安全,民用客机的机体结构材料对抗腐蚀、抗疲劳性要求极高,为了使飞机安全、经济、舒适、环保,重量轻、抗腐蚀、耐疲劳的铝锂合金材料和碳纤维复合材料是目前新一代飞机研制较为理想的结构材料。王浩伟教授团队研制的纳米陶瓷铝合金的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。

“相比钛合金和高温合金,铝合金3D打印后性能远低于锻件,纳米陶瓷铝合金3D打印构件可以达到锻件的性能。我们现在正加紧和中国商飞、中国商发合作,助推国产大飞机用上这种具有我们中国自主知识产权的新材料。”王浩伟教授表示,目前纳米陶瓷铝合金已经用于天宫一号、天宫二号、量子卫星、气象卫星等关键部件翱翔于太空。同时,应用于内燃机活塞和汽车关键部件,不仅能有效减重,还可以节能减排、提高安全性。

30年磨一剑,五代“材料人”领跑新材料革命

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,它背后凝结着上海交大老、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”。

“我们从1992年就开始了纳米陶瓷铝合金的基础研究,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。这也难怪,对于金属冶金来说,非金属(比如陶瓷成分)是金属中的杂质成分,研究人员避之犹恐不及,哪儿有人还自己通过化学方法掺入‘杂质’啊。但在后来的研究中我们发现,只要通过控制化学反应的进程,把陶瓷颗粒的尺度、形态和分布控制在合理的范围内,这些调皮的‘陶瓷小精灵’就能发挥作用,变成对材料有帮助的部分。”王浩伟教授介绍说。

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,王浩伟教授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20年代出生的‘元老’以外,团队里的其他科研人员分别是四十年代、五六十年代、七十年代和八十年代出生的。”王浩伟教授说,团队里的五代科研人员都敢想敢干,他们总是冲在国家科研最需要的第一线,颇有“大侠风骨”。纳米陶瓷铝合金要在上千度的高温炉里合成,即便夏日炎炎,他和团队成员也常常夜以继日地守在炉边反复实验。据王浩伟教授团队的一位青年科研人员介绍,材料攻关完成后,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,王浩伟教授在实验现场突发心脏病,幸亏救护车及时赶到才有惊无险。

“我很幸运,得到了周尧和院士和吴人洁教授的共同指导,他们都是各自领域的大家,这种很好的学科交叉环境拓宽了我的研究思路,也让我在纳米陶瓷铝合金的研发道路上走得越来越坚定。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。”王浩伟教授说。

不做“老板”当“老师”,“爱玩”教授带出“尖刀”团

“夏天吃冰棍,冰棍的哪个地方最甜?”这是本学期上海交大《材料加工原理》课程期末考试最后一个20分的大题,出题人正是王浩伟教授。“这个题看起来有点‘莫名其妙’,实际上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大的地方,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等大量材料学基础知识综合计算和分析,基础知识不扎实肯定做不出来,死背书也没法做。”一名本科生表示,刚看到这道题时确实懵了一阵,不过他很快意识到,这正是老师王浩伟的风格——“爱玩”。

“材料学原理本身有点枯燥,得来点好玩的,”王浩伟教授出题有趣,讲课也爱“抖包袱”,他从不照本宣科,而是喜欢给枯燥的原理外加一层有趣的“包装”,“下雨天打伞、小孩儿吹泡泡、甩泥巴,都能和材料学原理扯上关系,我希望能引导学生观察生活中的一些常见的现象,激发他们解决实际问题的好奇心。讲课和说相声差不多,每节课至少得抖一个‘大包袱’出来,这样学生才能记得住、学得进去。”王浩伟教授说,虽然当了这么多年老师,可每次上课前他还是经常会失眠,都是想“包袱”想的。

有人说,翻砂、打铁、磨豆腐是既苦又累的行当,“翻砂”正是对王浩伟教授的研究方向的俗称。为什么王浩伟教授和他的团队会在这个最苦的行当里一干就是30年?王浩伟教授说,也是因为“爱玩”。“做科研有点像小孩子玩水玩沙子,感兴趣就不怕苦和脏了。我们不光‘正着玩’,还‘反着玩’:把陶瓷从外面掺到铝里这个方法走不通,就逆向思维,让陶瓷自己从铝里 ‘长’出来;教会学生用吹泡泡的原理除掉影响金属材料性能的气体,再启发他们反向运用这个原理制作隔热、隔音的泡沫金属——‘爱玩’、对周围事物时刻保持好奇心,这是我们团队一直保持的特质。”

别看生活中“爱玩”,对待学术和科研,王浩伟教授可是一点也不含糊。很多研究生习惯在背后称呼导师为“老板”,到了王浩伟教授这儿,“老板”这个词绝不能叫。“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。教学和科研得回归本质,不能掺杂其他东西。”因此,无论科研任务有多重,王浩伟教授要求团队里的每一位年轻教师都要给本科生上课;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,这支队伍成长为一个 “尖刀”团,他们生活中可以苦中作乐,面对外界的诱惑淡然处之,做科研时则像一把“尖刀”,无所畏惧地深入到科学难题中攻坚克难,踏实地扎根科研一线,勇敢地探索未知世界。“我们30年只专心做了一件事,值了。”王浩伟教授笑着说。

四方合作,纳米陶瓷铝合金成果转化引领新产业

既然纳米陶瓷铝合金能“四两扛千斤”,那它怎样才能走出实验室,为社会创造出更大的价值?需要借助科研成果的转化。2017年8月4日,安徽省淮北市人民政府、上海交通大学、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”,依托上海交大材料科学与工程学院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表示,长期以来,上海交大就对王浩伟教授团队的纳米陶瓷铝合金项目给予了持续的大力资助和支持,同时也积极对外寻找成果落地转化的合作条件。2013年,安徽省淮北市政府从土地、资金、政策、人才等进行了多方支持,形成了具有年产千吨级中试及生产基地,并成立了安徽相邦复合材料有限公司,使纳米陶瓷铝合金材料的量产能力能满足在航天、航空、汽车等领域大规模应用的需求。2015年,上海交大与上海均瑶(集团)有限公司合作建设联合研发中心,使纳米陶瓷铝合金迅速进入航空和汽车等百亿以上级别的产业领域。在航空领域,目前王浩伟教授团队已在航发、商发开展多种航空发动机叶片试验,与中国商飞实现深度合作,剑指“新一代航空材料”;在汽车领域,转向节已通过台架试验,内燃机活塞也即将量产。

“如今的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。这一科研成果的落地转化,也是上海交大对接国家重大战略需求、服务行业和产业发展的一次成功实践,它将为社会和经济发展创造更多价值。”刘燕刚说。

率先破题,打造从大学实验室到市场的“绿色通道”

每年,全国高校有很多像纳米陶瓷铝合金这样的优秀科研成果在实验室中诞生。从大学实验室到生产和市场,科技成果转化要迈过多少级台阶?这些“高不可攀”的台阶不仅是制约我国科技创新的瓶颈,也是很多高校尚未破解的困局。

“我们需要为科研成果开辟一条‘绿色通道’,并形成有成效、可复制的经验,让越来越多的成果不是被锁在实验室里‘束之高阁’,而是走向产业化,产生更大的社会价值。”上海交大副校长吴旦介绍说,这条促进科技成果转化的“绿色通道”,上海交大已经铺设了十几年。

推动科技创新与科技成果转化有效衔接,是国家实施创新驱动战略的迫切要求,也是体现大学服务于创新国家建设,服务于社会经济发展的主要标志。 “王浩伟教授团队研究开发的纳米陶瓷铝合金,是上海交大在‘十五、十一五’期间自主研发的新型铝基复合材料,其工业化生产将引起铝行业发生巨大的历史性变革,同时可带动汽车、航空、航天、电子和国防工业的技术进步及快速发展。除这一成果外,在国产C919 大型客机研发设计的过程中,上海交大与中国商飞深入合作,创新校企产学研用机制,通过‘上海市民机创新工程’和近百项科研项目支持,共建了民机先进制造工艺技术中心、民机维修工程研究中心等联合研究平台,共同培养了高水平、多层次、多类型的航空专门人才;特别针对 C919 大型客机的六大先进技术,双方开展了涉及总体、结构、制造、材料、航电、人因等专业或领域科研合作,体现了上海交大服务于国家战略,积极探索和创新校企产学研用机制和模式。” 吴旦表示,始终对接国家重大战略需求、服务行业和产业发展是上海交大科技创新的重要使命,近年来,学校与重点企业、地方政府强强联手、合作攻关,在各大学科领域涌现出一大批成果转化的成功实践,创造了丰硕的经济和社会效益。

除积极对接国家战略外,为促进科技成果有效转化,上海交大还构建了完善的支撑体系。从2001至今,上海交大科技园、上海交大技术转移中心、上海交通大学先进产业技术研究院、上海交大知识产权公司先后成立,学校将高科技产业整体规划与区域经济发展相结合,形成了一个以科技企业为主体,产学研相结合的创新体系。2015年《促进科技成果转化法》实施以来,科技成果作价投资由高校自主决定,允许采用协议定价,对科技成果完成人奖励比例不低于50%,上海交大产研院制定并发布了《科技成果作价投资实施细则(试行)》,学校科技成果作价投资工作迅速启动,并进入高速发展时期。截止目前,学校相关典型案例已达到 13 个,在上海各个高校的科技成果作价投资案例中所占比例达到 86%左右,起到了引领和示范作用。2016年,学校相继研究出台《关于完善知识产权管理体系,落实的实施意见》《职务发明管理办法》等10份文件,构建了完整的科技成果转移转化政策体系。通过下放科技成果使用、处置和收益权等改革措施,加大对科研人员股权激励力度。上海交大知识产权交易额得到大幅增长,2016年交易246项,交易总额达5926.5万元。

 
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