范景莲:难熔金属女中豪杰—新闻—科学网

 
作者:张涵 来源:中国科学报 发布时间:2018/5/29 9:10:45
选择字号:
范景莲:难熔金属女中豪杰

范景莲在第五届核聚变会议大会做报告。

中国兵器工业集团导弹专家、中国工程院院士王兴治(左二)和中国工程院院士黄伯云(左四)参观考察超高温难熔金属基复合材料基地。

中国核聚变总指挥、中国工程院院士李建刚(左三)对细晶钨偏滤器材料研发工程基地现场考察。

■张涵

范景莲,现任中南大学难熔金属与硬质合金研究所所长、湖南省纳米材料工程中心常务副主任,先后荣获国家杰出青年基金、中组部“万人计划”、教育部“长江学者”、全国创新争先奖、何梁何利基金、全国优秀科技工作者等荣誉,享受国务院特殊津贴。

作为一名女性科学家,这样的成绩和荣誉对她来说殊为不易。1967年7月,范景莲出生于湖南澧县,1983年进入中南大学就读,硕士毕业工作数年后又回到母校攻读博士,并于2001年被破格评为中南大学教授。

自1990年开始,范景莲教授一直从事难熔合金新材料、新技术和基础理论研究,先后承担了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目和面上项目、科技部“863”计划、科技部 “ITER”专项、总装重大专项、国防军工项目等30余项科技攻关。针对新型空天飞行器、火箭发动机、原子能等领域对难熔金属材料的重大需求和现有难熔金属强韧性不足、高温抗氧化烧蚀差的问题,范景莲创新性提出“纳米原位复合/微纳复合”设计思想,发展了纳米/微纳复合粉末制备原理与技术,建立了高性能微细结构难熔复合材料烧结理论,开辟“纳米/微纳复合高性能难熔金属基复合材料”新领域,取得系列重大突破:

一、原创发明超高温轻质难熔金属基抗烧蚀复合材料,为新型空天飞行器和火箭发动机提供高性能关键高温材料保障

新型空天飞行器研制是目前世界各空天强国重点探索的领域,代表了空天技术发展的重大方向。新型飞行器在近地空间以极高速度长时间飞行,其前端关键结构部件与空气产生剧烈的摩擦和冲击,表面产生2000~3000℃高温,同时还承受强表面氧化和高动压高过载冲击,这对热端构件提出了极为苛刻的使用要求,要求具有优异的高温强韧、长时间抗氧化抗烧蚀与轻量化等综合性能,因此,热端构件材料的热防护问题是国际公认的最突出技术难题。现有高温材料因高温强度低、抗氧化和抗烧蚀性差或密度高等不足,无法满足新型空天飞行器热端部件的使用要求,成为新型空天飞行器研制的关键技术瓶颈。

针对这一重大需求和瓶颈,范景莲创新性提出“微纳复合—氧化抑制”设计思想,通过纳米级超高温陶瓷相与微米级钼基体共格增强,实现陶瓷相对难熔基体的增强和难熔金属的补强,进而实现材料高温强韧化、基体抗氧化和轻量化。同时,通过表面氧化抑制设计,在基材表面原位生长形成梯度复合的陶瓷化的热防护层,与基体具有高的热匹配和强的冶金结合,实现与基体的一体化设计,进而实现高辐射、长时间抗氧化、抗烧蚀。在此设计思想指导下,创新发明了微纳复合原位反应制备纳米陶瓷相增强难熔金属基复合材料,实现了基材的高温、高强韧,其1600℃抗拉强度250MPa以上,与现有超高温材料相比,高温强度提高3~5倍,达到国际领先水平;同时创新采用了基材表面反应烧结形成方向性梯度复合涂层,实现复合涂层高辐射、强冶金结合、良好热匹配和与基体的一体化设计,进而实现高辐射、长时间抗氧化、抗烧蚀,制备出超高温轻质难熔金属基抗烧蚀复合材料,经风洞和火箭发动机反复试验验证,材料基体无破坏、表面基本无烧蚀。该技术成果为国内外原创,填补世界空白,成为新型空天飞行器前缘热端部件的重要关键材料,为我国新型空天飞行器的研制提供关键高温材料保障。2014年6月××中心给予了高度评价,评价为:“中南大学范景莲教授轻质难熔金属取得了重大突破,在重大科技专项耐高温材料上作出了重要贡献。”

同时,范景莲还将超高温难熔金属材料成果拓展应用于空空导弹、空地导弹的高能固体火箭发动机,满足了火箭发动机在大推力、高动压、耐3000℃以上的强的抗冲刷、抗冲击和抗烧蚀性能要求,成为多项国家重大高新工程和型号的关键高温部件唯一材料,其中,研制开发的耐高温烧蚀复合喷管和空地导弹发动机飞行喷管已通过用户单位组织的产品鉴定,应用于我国新一代战机和新型空地导弹。

该研究成果申请和获得国家(国防)发明专利32项,2012年获得“中国××工程先进个人二等奖”。

二、发明新型细晶高性能钨基复合材料,成功应用于国防科技、新能源、微电子信息、原子能等高端制造,推动行业领域的发展

高性能钨基复合材料具有高密度、高强韧等特性,是国防军工和国民经济诸多领域难以替代的关键材料。现有制备技术存在晶粒粗大、性能低、规格尺寸小等缺陷,难以满足尖端技术发展要求。为解决这一重大难题,范景莲提出“纳米原位复合”思想,发明“溶胶—喷雾干燥—多步氢还原”技术,实现粉末超饱和固溶和合金化,突破传统W、Cu不相溶和W渗Cu理论禁锢与技术缺陷,解决了现有W-Cu、W-Ni-Fe(Cu)等钨基合金材料强韧性低、晶粒粗大、组织不均匀的问题,晶粒细化4~10倍,强度提高30%,延伸率提高2~5倍。建立了“纳米原位复合”细晶钨基复合材料相关理论模型,获国际钨领域权威German、Hausselt多次引用和积极评价。通过技术和装备集成创新,研制出系列新型高性能钨基复合材料和超大尺寸钨材,形成了多种规格和品种的产品,成功用于我国10多项重点、重大工程,为保障国家安全做出了重要贡献;超大规格钨材在国内11家企业推广应用,同时产品出口国外,应用于新能源、微电子信息等高端技术领域,经济效益十分显著,性能达到国际先进水平,引领我国钨材向高、精、尖方向发展,支撑了新能源、微电子信息、原子能等高端制造产业的发展,提升我国国际竞争力。这一成果发表论文近300余篇,出版专著2部,申请和获得发明专利授权22项,获国家技术发明二等奖1项(排名第一)、国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖3项、省部级二等奖4项。

三、发明未来核聚变堆面向等离子体最关键全钨偏滤器材料和部件制备技术,将我国钨材料研究推向国际最前沿领域

核聚变能与核裂变能相比,具有无核辐射危险、释能大等显著优点。为解决核聚变能的可控利用,中、美、俄、欧盟、韩、日、印七方成立了目前最大的国际合作项目——国际热核聚变实验堆(ITER),我国也已启动了中国聚变工程实验堆(CFETR)建造计划,这将开启人类未来能源的理想途径。聚变堆面向等离子体材料在运行时,承受高能等离子体持续长时间轰击,并在表面产生2000℃以上的高温,对材料高温性能和化学稳定性提出了极高要求。钨由于极高的熔点、良好的化学稳定性等优点,被认为是未来聚变堆理想的面向等离子体最关键高温结构材料部件。但是,现有钨材料晶粒粗大、性能差,难以满足未来聚变堆苛刻服役环境要求。针对这一难题,创新发明提出“纳米/微纳复合增强”和“纳米梯度复合扩散连接”技术制备细晶全钨偏滤器材料及部件。采用微量稀土氧化物和碳化物纳米/微纳复合增强钨,实现其高强韧和高抗热冲击,与目前国际最先进商业钨相比,抗热冲击性提高50%以上。采用纳米梯度复合扩散连接技术,实现细晶钨材料与热沉结构材料高强度冶金结合,连接强度比传统连接强度提高2倍。研究成果获国际钨领域权威刊物RM&HM主编H. Ortnal评价“钨领域重大技术进展”,国际核聚变权威机构CEA法国原子能委员会评价“为全钨偏滤器提供全新技术途径”,将我国钨研究引入国际前沿系列。这一成果发表高水平论文40余篇,申请发明专利15项、获得国家发明专利授权9项和国际专利授权1项。

在学术兼职领域,范景莲还兼任总装专项、国防科工局专家,国家奖励计划专家,国家核聚变重大专项专家组组长,硬质合金国家重点实验室学术委员,美国粉末冶金协会会员,中国钨协顾问、理事,《中国钨业》和《硬质合金》编委。

此外,为了让科技成果尽快应用于国家高新技术领域,范景莲积极响应习近平总书记号召“把论文写在祖国的大地上”,使科技成果用起来,在创新驱动和军民融合推动下,组建了由教授、副教授、博士、硕士、工程人员组成的产学研创新团队,在宁乡高新区政策和资金支持下,成立了“长沙微纳坤宸新材料有限公司”,作为工程产业化基地。以“纳米/微纳复合”难熔金属基复合材料技术原型为基础,建立了一条从设计开发到制备,再到部件精密加工与集成的工程化生产线,使新型难熔金属基复合材料在国家重大军事工程成功应用,同时推广应用于微电子、核能等国计民生各尖端技术领域,实现“让成果走出实验室,让创新引领科技发展,让知识更有价值”的转变,走出了一条有特色的产—学—研—用的科研发展与成果转化之路。

《中国科学报》 (2018-05-29 第7版 专题)
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 

目前已有0条评论
相关新闻 相关论文

图片新闻
巨齿鲨热映,这些科学疑点你发现了吗? 蠕虫自噬肠道致衰老
狗尿尿也讲虚张声势 自抗凝透析器让血更纯净
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文
 
论坛推荐