解低溫材料之謎 拓高分子應用之路

1812年，有著“戰爭之神”美譽的拿破侖戰隊，不幸兵敗俄羅斯。所有看似偶然的事件背后，必定有著某些必然因素，但也許令拿破侖沒有想到的是，其中的必然竟是一顆小小的紐扣。

對于常年生活在四季溫和環境下的拿破侖軍隊來說，俄羅斯的寒冬，無疑成為軍隊前行最大的阻力。軍隊的軍服上采用的是錫制紐扣，常溫下的錫堅硬且穩定，但一旦遇到低溫，錫就會發生物理反應而變成粉末狀。由于衣服上沒有了紐扣，數十萬大軍在冰天雪地中敞開著衣服，許多人被活活凍死，得病而死的也不在少數。

一顆小紐扣，一個簡單的物理反應，竟成為決定一場戰爭勝敗的關鍵要素。如今，隨著科技的發展，科研工作者對低溫材料的研究越發深入，人們不會再犯錫紐扣這樣的錯誤，對低溫的追求也已不再是零下幾十度，而是正在向絕對零度發展。中國科學院理化技術研究所肖紅梅副研究員以及她所在的低溫力學與復合材料團隊，常年圍繞低溫技術在功能高分子中的應用開展低溫研究平臺建設，并在低溫技術應用研究方面散發團隊的光和熱。

從低到高的跨越

2004年，肖紅梅來到中國科學院理化技術研究所從事功能高分子方面的研究，幾年之后她慢慢接觸到低溫材料領域，從那時起便萌生了一個想法：能否將低溫材料與功能高分子相結合呢？如今，已經在這條研究路上走過第14個年頭的肖紅梅，仍然堅持著自己最初的科研理想。

說起最平常不過的溫度，其實就是一種表示物體冷熱程度的物理量。從廣義上講，只要溫度低于300k，就屬于低溫。但狹義上來看，溫度劃分也有著明確規定，一般來說，環境溫度到120K溫度區間稱為普冷區，120K到0K溫度區間稱為深冷區，其中20K到0K區間又被稱為超低溫區。肖紅梅團隊所致力于的低溫材料與功能高分子結合的研究中，最典型的應用如航天、國防和應用超導等高科技領域中材料的使用溫度，就正是在20K到4.2K的超低溫區間。

而應用這條路，走得并不順暢。提起低溫技術，大多數人想到的多是對材料的負面影響。肖紅梅對此解釋到，就拿塑料來說，一般溫度下尚能保持正常狀態，一旦遇到寒冬，就會發生開裂。“也就是說，低溫狀態下，材料的韌性降低了，這也就是我們常說的低溫對材料產生的負面影響。”肖紅梅補充道。

其實，低溫狀態對材料并不是只有負面影響，在某些方面，低溫對材料的性能也會有一定的促進作用。對此，肖紅梅舉例說明，瑞士出產的手表、軍工產品因其超高的質量可靠性而聞名世界，那在同樣寒冷低溫的瑞士，這究竟是怎么做到的呢？

原來，早前阿爾卑斯山一帶的工匠在制作出手表與軍工產品后，無意之中將產品埋藏于雪地中，一段時間后再將其取出，卻驚奇地發現材料的耐磨性、硬度等特性與之前相比，都有了大幅提升。不僅表針走得更準，使用時間也變長了。“低溫工藝對材料不是只有負面影響，促進作用也是存在的。”肖紅梅說道。

為此，她與團隊看準了這種積極作用，致力于將低溫技術與功能高分子結合在一起，使其在航空航天等高技術領域里物盡其用。“如果將高分子材料換成任何一種其他材料，結果都不會盡如人意。”雖然對于肖紅梅團隊來說，這是一個不小的挑戰，但興趣決定一切。團隊不畏艱難，在低溫材料與高分子領域里，不斷前行，實現著從“低”到“高”的跨越。

眾人拾柴火焰高

近年來，大型低溫工程發展迅猛，新型功能材料在超低溫下的應用也變得愈來愈廣泛。開展新材料超低溫力學性能研究，并將低溫技術應用在新型功能材料中，不止是目前材料及實驗力學領域的前沿研究之一，也是中國科學院理化技術研究所低溫力學與復合材料團隊的主攻方向。當前，團隊研究已然呈現出基礎科研、應用研究以及軍工等高技術研究三足鼎立的局面。

其中，在低溫研究平臺建設方面，團隊著手于為國內低溫材料研制和使用單位提供標準和結構件的低溫性能檢測和監測。在理化所的10多年來，肖紅梅團隊已經為國內20多個低溫材料研制和使用單位提供了合作研究和技術服務。由于做出的突出貢獻，2017年，低溫力學與復合材料團隊還獲得了中國國家標準化管理委員會第二批標準立項項目的支持。有了強有力的后盾，團隊將在以前工作的基礎上，建立我國復合材料超低溫溫度區間的第一個國家標準——《定向纖維增強聚合物基復合材料超低溫拉伸性能試驗方法》。

此外，在航空航天等高技術領域里，低溫材料也盡情發揮著自己的作用。低溫力學與復合材料團隊將低溫技術應用研究主要瞄準低溫樹脂基體、低溫纖維增強復合材料和功能高分子的低溫處理技術。而在多種低溫材料中，改性環氧樹脂以其優異的性能獨占鰲頭，被廣泛應用于航天、超導等大型低溫工程領域。肖紅梅認為，以改性低溫環氧樹脂為基體，以纖維為增強相得到的纖維增強樹脂基復合材料，其優異的比強度、比剛度和材料性能可設計性也許會“無人能及”，在可重復使用航天運載器和ITER等領域的應用前景也將大為可觀。為此，肖紅梅團隊從分相結構設計出發，采用不同分子鏈構型的高分子相互配合，使其具備了剛柔特性，從而改善了樹脂基體在低溫環境下的韌性和強度。在改性后的低溫樹脂基礎上，團隊又有了新思路：將其與增強纖維結合。最終，團隊得到了纖維增強樹脂基復合材料，具備了其他材料沒有的優異低溫強度。

獲得諸多成果，肖紅梅不僅感嘆加入了一個好團隊。她指出，自1999年建立中國科學院理化技術研究所以來，團隊始終以“和諧”為宗旨，盡管人數不多，但大家都相互理解，相互支持，既有分工也有合作，每個人都在其位，盡其職，為低溫材料與功能高分子研究的發展默默努力著。

作為團隊的一員，肖紅梅感到無比光榮，也對未來充滿信心。在她看來，科研首要就是明確方向，知道自己在做什么，能做什么；其次就是找到與之共同進退的同伴。所幸，在中國科學院理化技術研究所低溫力學與復合材料這支團隊中，肖紅梅找到了這樣的同伴，并會在科研路上繼續與團隊并肩作戰。