立足航天需求 追求更高性能

宋潔

“非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料”，顧名思義，就是在金屬基體中加入非連續(xù)增強(qiáng)體。這樣一來(lái)，復(fù)合性能可通過(guò)增強(qiáng)體的種類(lèi)、含量、尺寸、構(gòu)型及復(fù)合界面進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)控，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而使材料的輕量化、高強(qiáng)度、高模量、高熱導(dǎo)、低膨脹等性能得到進(jìn)一步提升。

這種優(yōu)勢(shì)令其在航天工程等國(guó)家戰(zhàn)略性高技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)了重要的戰(zhàn)略性地位，而發(fā)達(dá)國(guó)家又針對(duì)該材料對(duì)我國(guó)一直實(shí)行材料禁運(yùn)和技術(shù)封鎖。為了發(fā)展我國(guó)獨(dú)立自主的高性能的金屬基復(fù)合材料，上世紀(jì)90年代初期，國(guó)家科技部部署成立了金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并積聚一批復(fù)合材料研究人員立足國(guó)家的重大迫切需求，針對(duì)金屬基復(fù)合材料中的復(fù)合調(diào)控難、界面匹配難、形變加工難等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和復(fù)合技術(shù)攻關(guān)?！昂教煊梅沁B續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備科學(xué)基礎(chǔ)研究”，就是在該實(shí)驗(yàn)室以及國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部等部門(mén)的支持下，由上海交通大學(xué)張荻、張國(guó)定等人帶領(lǐng)課題團(tuán)隊(duì)展開(kāi)的。

從1994年起，研究課題組歷時(shí)20余年，由7項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助，開(kāi)展了非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料共性關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題——復(fù)合設(shè)計(jì)熱力學(xué)規(guī)律、界面調(diào)控規(guī)律和形變加工機(jī)理研究工作，為非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備科學(xué)提供了系統(tǒng)理論依據(jù)，取得了一系列突破。

針對(duì)材料復(fù)合調(diào)控和設(shè)計(jì)難問(wèn)題，他們積極開(kāi)展鋁基、鈦基復(fù)合材料復(fù)合制備過(guò)程中熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究，成功實(shí)現(xiàn)了金屬基復(fù)合材料界面反應(yīng)控制與增強(qiáng)體的均勻分布；提出的有效增強(qiáng)相熱力學(xué)計(jì)算方法被本領(lǐng)域權(quán)威期刊Metal. Mater. Transaction等引用并直接用來(lái)指導(dǎo)金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)。

同時(shí)，他們開(kāi)展了增強(qiáng)體/基體非共格界面和共格界面的界面調(diào)控規(guī)律研究。針對(duì)非共格界面提出了緩解增強(qiáng)體/金屬基體界面微區(qū)力學(xué)不均勻性的界面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；針對(duì)共格界面和半共格界面，闡釋了增強(qiáng)體與基體合金及不同增強(qiáng)體之間位向關(guān)系形成機(jī)理，建立了鈦基復(fù)合材料微觀(guān)—細(xì)觀(guān)—宏觀(guān)跨尺度擬實(shí)模型，為高性能鈦基復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù)。提出的“緩解增強(qiáng)體/基體界面微區(qū)力學(xué)性能不均勻性”的界面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，被歐洲科學(xué)院院士Javier Liorca教授評(píng)述為該領(lǐng)域的重要進(jìn)展。

另一方面，硬脆增強(qiáng)體加入金屬基之后，變形極為困難，使制備出的復(fù)合材料難以大變形加工成航天用的復(fù)雜構(gòu)件。為此，他們開(kāi)展了復(fù)合材料的形變機(jī)制研究，相繼發(fā)現(xiàn)并揭示了非連續(xù)增強(qiáng)鋁基、鈦基復(fù)合材料塑性和超塑性變形機(jī)理與規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了鋁基、鈦復(fù)合材料超塑性大變形，為鋁、鈦基復(fù)合材料及其構(gòu)件大變形、精密成形加工提供了理論依據(jù)。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家D.B.Miracle就評(píng)價(jià)該團(tuán)隊(duì)的工作證實(shí)了難變形的鈦基復(fù)合材料具有良好超塑性變形行為，而且增強(qiáng)體的引入有助于超塑性變形。

以上述研究成果為基礎(chǔ)，他們發(fā)表的20篇重要論文，他引768次，國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議特邀報(bào)告19次，獲得國(guó)際權(quán)威期刊典型評(píng)述30余次，甚至早在2006年就獲得了上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。而為了證實(shí)理論指導(dǎo)所復(fù)合制備出的金屬基復(fù)合材料能滿(mǎn)足國(guó)家航天領(lǐng)域的重大需求，此后，他們?cè)谶M(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)研究的同時(shí)，也積極探索應(yīng)用研究，設(shè)計(jì)制備出系列航天用非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料及構(gòu)件，為“嫦娥三號(hào)”、月球車(chē)提供了200余件輕質(zhì)高強(qiáng)多功能金屬基復(fù)合材料及構(gòu)件，所研制的月球車(chē)行走機(jī)構(gòu)用棘爪，為中國(guó)在月球上留下第一行足跡做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)，有力地支撐了金屬基復(fù)合材料在我國(guó)航天領(lǐng)域的應(yīng)用。正如CCTV所指出的，“篩網(wǎng)棘爪做輪子，越野避障樣樣行”。“金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)鋁基復(fù)合材料開(kāi)展了長(zhǎng)期、系統(tǒng)和深入的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，已成為我國(guó)輕質(zhì)高強(qiáng)鋁基復(fù)合材料主要研發(fā)和制造基地，為我國(guó)高科技發(fā)展和維護(hù)國(guó)家安全做出了重要貢獻(xiàn)?！眹?guó)家科技部對(duì)于該工作高度評(píng)價(jià)道。

如今，張荻團(tuán)隊(duì)歷時(shí)20多年的成果獲得了2015年國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。站在新的起點(diǎn)上，他們將進(jìn)一步深化金屬?gòu)?fù)合材料的研究，并在高性能、大型化研究中，為滿(mǎn)足我國(guó)航天和相關(guān)高科技領(lǐng)域的重大需求做出更大的貢獻(xiàn)。endprint