陶瓷研究的破冰者
——記國家“青年千人計劃”入選者、昆明理工大學(xué)馮晶教授

○文/肖延勝

陶瓷研究的破冰者
——記國家“青年千人計劃”入選者、昆明理工大學(xué)馮晶教授

○文/肖延勝

先進熱障涂層陶瓷及其它高溫陶瓷領(lǐng)域的研究，與礦冶高溫設(shè)備和管道、大型工業(yè)燃氣輪機、航空航天領(lǐng)域的發(fā)展息息相關(guān)。目前我國急需自主創(chuàng)新的熱障涂層等陶瓷研究。在這一領(lǐng)域，一位青年學(xué)者的研究不可忽視。

他曾在清華大學(xué)和哈佛大學(xué)學(xué)習(xí)與工作，主要從事航空發(fā)動機陶瓷熱障涂層材料的力學(xué)及熱學(xué)性質(zhì)研究，在陶瓷的高溫相變、結(jié)構(gòu)設(shè)計、各向異性、光彈鐵彈性及理論預(yù)測等方面獲得了較為突出的研究成果。他發(fā)表SCI收錄論文80余篇，EI 收錄論文6篇，其中第一作者論文31篇，通訊作者25篇。他擔任一份SCI檢索雜志客座主編，目前為三十余份國際著名期刊的審稿專家，已為國際期刊審稿500余篇次。1984年出生的他，目前獲批國家發(fā)明專利14項，其中6項排名第一，9項進入Derwent 世界專利數(shù)據(jù)庫。2015年，他入選中組部第十一批“千人計劃”青年人才。他就是昆明理工大學(xué)的馮晶博士。他究竟有哪些重要的研究成果呢？

高溫鐵彈相變增韌陶瓷熱障涂層

目前，以航空發(fā)動機為代表的一系列燃氣輪機技術(shù)和基礎(chǔ)科研嚴重限制了我國大飛機、戰(zhàn)斗機、坦克、軍艦、潛艇、發(fā)電廠等領(lǐng)域的發(fā)展。陶瓷熱障涂層是燃氣輪機中最重要的材料之一，直接或間接決定了燃氣輪機的效率和能力，因此，相關(guān)的研究也就顯得尤為重要。

“我研究獲得了新型高溫鐵彈相變增韌陶瓷YTaO4，采用第一原理結(jié)合朗道相變理論，深入描述了該鐵彈相變機制的物理圖像，發(fā)現(xiàn)一種新的固體相變模式，即軟模引起的贗彈性相變。”馮晶告訴記者，他的研究將為解決目前陶瓷熱障涂層存在的問題及提升其高溫性能開辟了嶄新的道路，并對相關(guān)其它方面的研究提供了基礎(chǔ)。

馮晶開展的正是高溫條件下具有鐵彈效應(yīng)的新型陶瓷熱障涂層材料研究。他采用準溫度效應(yīng)的第一原理計算方法描述了高溫陶瓷的光彈性，通過高能激光在超高溫下原位檢測陶瓷裂紋及應(yīng)變，并結(jié)合計算定量描述了陶瓷高溫相變、裂紋對光譜的影響。

這也就意味著，馮晶研究的新型熱障涂層材料能通過高溫鐵彈效應(yīng)作為緩沖帶，通過緩慢吸收和釋放能量來減輕發(fā)動機材料壓力，并具有更低的熱導(dǎo)率從而大大提升航空發(fā)動機性能，相關(guān)性能指標將達到或超越美國現(xiàn)役材料，如高溫熱導(dǎo)率低于1W/ m.K，熱擴散達到0.4mm2/s，熱膨脹系數(shù)不低于12*10-6/K等。

據(jù)悉，馮晶的研究成果有望在下一代熱障涂層材料中使用，這將使我國發(fā)動機涂層材料站立于世界科技前沿。

陶瓷動力學(xué)原位檢測及設(shè)計

眾所周知，傳統(tǒng)陶瓷理論發(fā)展已經(jīng)相對較為成熟，然而由于陶瓷本身的復(fù)雜性使得以往幾乎所有的陶瓷理論都基于宏觀唯象論，從陶瓷初始制備到最終產(chǎn)品，性質(zhì)影響因素極多且復(fù)雜，以致現(xiàn)代陶瓷雖然發(fā)展近百年，但是仍然難以進行定量研究，反而落后于很多新興學(xué)科。

馮晶采用現(xiàn)代尖端前沿技術(shù)，即變溫原位XRD，Raman，光致發(fā)光譜儀，電學(xué)測試儀等觀測納米尺度、微米尺度下陶瓷形成的動力學(xué)過程，最大限度簡化影響因素的耦合作用，從而突破了傳統(tǒng)難以定量研究的陶瓷動力學(xué)。

“我基于彈性力學(xué)結(jié)合第一原理計算，對稀土鋯酸鹽、稀土鋁酸鹽、稀土錫酸鹽、稀土磷酸鹽等復(fù)雜氧化物進行了力學(xué)、熱學(xué)各向異性描述，根據(jù)聲子在晶體中傳輸?shù)母飨虍愋蕴卣鳎茖?dǎo)出了半經(jīng)驗熱導(dǎo)率三維各向異性的表達式，首次對單斜結(jié)構(gòu)的傳輸各向異性進行表征。”說起自己的研究，馮晶如數(shù)家珍。他告訴記者，他還對以稀土磷酸鹽為代表的陶瓷可加工性物理機制進行探索，提出了判斷陶瓷可加工性的標準，推進了可加工陶瓷研究的進程。

馮晶的貢獻不止如此。他對鐿摻雜氧化鋯的高溫熱障涂層材料力學(xué)及低熱導(dǎo)機制進行了較深入的表征，更新了目前對低熱導(dǎo)，高熱膨脹陶瓷化合物的基礎(chǔ)研究，并在獲得規(guī)律的指導(dǎo)下，設(shè)計并合成了新型低熱導(dǎo)高熱膨脹系數(shù)的復(fù)雜稀土鋁酸鹽Ba6RE2Al6O15。

據(jù)了解，復(fù)雜稀土鋁酸鹽的高溫熱導(dǎo)率低至0.98W/m.K，熱膨脹系數(shù)達到14*10-6/K，其綜合性能指標迄今為止尚未在世界上被打破。

此外，馮晶還對多種稀土化合物的電子結(jié)構(gòu)、價鍵與強度、電子自旋、聲子譜、振動模式、紅外及拉曼光譜進行研究。

有專家評價馮晶的研究，結(jié)合計算與模擬，從電子-原子尺度解決陶瓷形成的路徑圖像，精細描述每一步的化學(xué)反應(yīng)過程，對比原位實驗測量結(jié)果從而解釋相關(guān)科學(xué)機制，闡明陶瓷結(jié)構(gòu)-性質(zhì)的科學(xué)規(guī)律，為進一步設(shè)計新型先進陶瓷打下基礎(chǔ)。

陶瓷本征性質(zhì)及“基因組”數(shù)據(jù)庫

先進陶瓷在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用廣泛，并擁有能源轉(zhuǎn)換，存儲，結(jié)構(gòu)增強，光學(xué)器件等功能性質(zhì)，以形成陶瓷動力學(xué)為基礎(chǔ)，從元素的化學(xué)特性入手，以計算材料為工具，建立陶瓷宏觀與微觀性質(zhì)聯(lián)系的紐帶，是新型陶瓷材料設(shè)計的基礎(chǔ)與根本。馮晶對此有深刻的認識，他的研究就是這么做的。

馮晶對鋼鐵材料中的陶瓷增強相如各種碳化物、氮化物、硼化物進行了長期較詳細的力學(xué)性質(zhì)研究。“我對其作為鋼鐵中的增強相效果進行了機制探索，并著手建設(shè)鋼鐵中合金元素作用的‘基因組’計劃數(shù)據(jù)庫。”馮晶這樣對記者說。顯然他對自己的這一工作很滿意。

馮晶以后還打算適當拓展自己的研究方向，進一步擴寬相關(guān)基礎(chǔ)的應(yīng)用范圍，為進一步的新型陶瓷性質(zhì)計算與設(shè)計提供基礎(chǔ)。而他對相關(guān)數(shù)據(jù)庫的建立則有助于加快陶瓷研發(fā)的周期和節(jié)約生產(chǎn)資料，符合未來“綠色”研究的方向。

2015年初，馮晶回到了自己的母校——昆明理工大學(xué)。在這里，他將在研究項目的過程中發(fā)掘陶瓷涂層制備技術(shù)，從而產(chǎn)生高科技產(chǎn)品及高技術(shù)合二為一的新材料新技術(shù)，基礎(chǔ)研究的結(jié)果將得到具有低導(dǎo)熱、抗磨損、耐高溫、防氧化、環(huán)保型高性能陶瓷及其涂層技術(shù)。有關(guān)人士預(yù)計，先進陶瓷涂層及其技術(shù)項目預(yù)計三年內(nèi)直接經(jīng)濟利益將達到2.56億元，間接經(jīng)濟效益將達到12億元。