范景蓮：難熔金屬女中豪杰

張涵

范景蓮，現任中南大學難熔金屬與硬質合金研究所所長、湖南省納米材料工程中心常務副主任，先后獲得國家杰出青年基金、中組部“萬人計劃”、教育部“長江學者”、全國創新爭先獎、何梁何利基金、全國優秀科技工作者等榮譽，享受國務院特殊津貼。

對于一名女性科學家來說，獲得這樣的成績和榮譽實屬不易。1967年7月，范景蓮出生于湖南澧縣，1983年進入中南大學就讀，碩士畢業工作數年后又回到母校攻讀博士，并于2001年被破格評為中南大學教授。

自1990年開始，范景蓮教授一直從事難熔合金新材料、新技術和基礎理論研究，先后承擔了國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金重點項目和面上項目、科技部“863”計劃、科技部 “ITER”專項、總裝重大專項、國防軍工項目等30余項科技攻關。針對新型空天飛行器、火箭發動機、原子能等領域對難熔金屬材料的重大需求和現有難熔金屬強韌性不足、高溫抗氧化燒蝕差的問題，范景蓮創新性提出“納米原位復合/微納復合”設計思想，發展了納米/微納復合粉末制備原理與技術，建立了高性能微細結構難熔復合材料燒結理論，開辟“納米/微納復合高性能難熔金屬基復合材料”新領域，取得系列重大突破。

一、原創發明超高溫輕質難熔金屬基抗燒蝕復合材料，為新型空天飛行器和火箭發動機提供高性能關鍵高溫材料保障

新型空天飛行器研制是目前世界各空天強國重點探索的領域，代表了空天技術發展的重大方向。新型飛行器在近地空間以極高速度長時間飛行，其前端關鍵結構部件與空氣產生劇烈的摩擦和沖擊，表面產生2000～3000℃高溫，同時還承受強表面氧化和高動壓高過載沖擊，這對熱端構件提出了極為苛刻的使用要求，要求具有優異的高溫強韌、長時間抗氧化抗燒蝕與輕量化等綜合性能，因此，熱端構件材料的熱防護問題是國際公認的最突出技術難題。現有高溫材料因存在高溫強度低、抗氧化和抗燒蝕性差或密度高等不足，無法滿足新型空天飛行器熱端部件的使用要求，成為新型空天飛行器研制的關鍵技術瓶頸。

針對這一重大需求和瓶頸，范景蓮創新性提出“微納復合—氧化抑制”設計思想，通過納米級超高溫陶瓷相與微米級鉬基體共格增強，實現陶瓷相對難熔基體的增強和難熔金屬的補強，進而實現材料高溫強韌化、基體抗氧化和輕量化。同時，通過表面氧化抑制設計，在基材表面原位生長形成梯度復合的陶瓷化的熱防護層，與基體具有高的熱匹配和強的冶金結合，實現與基體的一體化設計，進而實現高輻射、長時間抗氧化、抗燒蝕。在此設計思想指導下，創新發明了微納復合原位反應制備納米陶瓷相增強難熔金屬基復合材料，實現了基材的高溫、高強韌，其1600℃抗拉強度250MPa以上，與現有超高溫材料相比，高溫強度提高3～5倍，達到國際領先水平；同時創新采用了基材表面反應燒結形成方向性梯度復合涂層，實現復合涂層高輻射、強冶金結合、良好熱匹配和與基體的一體化設計，進而實現高輻射、長時間抗氧化、抗燒蝕，制備出超高溫輕質難熔金屬基抗燒蝕復合材料，經風洞和火箭發動機反復試驗驗證，材料基體無破壞，表面基本無燒蝕。該技術成果為國內外原創，填補世界空白，成為新型空天飛行器前緣熱端部件的重要關鍵材料，為我國新型空天飛行器的研制提供關鍵高溫材料保障。“中南大學范景蓮教授輕質難熔金屬取得了重大突破，在重大科技專項耐高溫材料上作出了重要貢獻。”這是2014年6月相關部門給予的高度評價。

同時，范景蓮還將超高溫難熔金屬材料成果拓展應用于空空導彈、空地導彈的高能固體火箭發動機，滿足了火箭發動機大推力，高動壓，耐3000℃以上的強的抗沖刷、抗沖擊和抗燒蝕性能要求，成為多項國家重大高新工程和型號的關鍵高溫部件唯一材料，其中，研制開發的耐高溫燒蝕復合噴管和空地導彈發動機飛行噴管已通過用戶單位組織的產品鑒定，應用于我國新一代戰機和新型空地導彈。

該研究成果申請和獲得國家（國防）發明專利32項，2012年獲得“中國××工程先進個人二等獎”。

二、發明新型細晶高性能鎢基復合材料，成功應用于國防科技、新能源、微電子信息、原子能等高端制造，推動行業領域的發展

高性能鎢基復合材料具有高密度、高強韌等特性，是國防軍工和國民經濟諸多領域難以替代的關鍵材料。現有制備技術存在晶粒粗大、性能低、規格尺寸小等缺陷，難以滿足尖端技術發展要求。為解決這一重大難題，范景蓮提出“納米原位復合”思想，發明“溶膠—噴霧干燥—多步氫還原”技術，實現粉末超飽和固溶和合金化，突破傳統W、Cu不相溶和W滲Cu理論禁錮與技術缺陷，解決了現有W-Cu、W-Ni-Fe（Cu）等鎢基合金材料強韌性低、晶粒粗大、組織不均勻的問題，晶粒細化4～10倍，強度提高30%，延伸率提高2～5倍。建立了“納米原位復合”細晶鎢基復合材料相關理論模型，獲國際鎢領域權威German、Hausselt多次引用和積極評價。通過技術和裝備集成創新，研制出系列新型高性能鎢基復合材料和超大尺寸鎢材，形成了多種規格和品種的產品，成功用于我國10多項重點、重大工程，為保障國家安全做出了重要貢獻；超大規格鎢材在國內11家企業推廣應用，同時產品出口國外，應用于新能源、微電子信息等高端技術領域，經濟效益十分顯著，性能達到國際先進水平，引領我國鎢材向高、精、尖方向發展，支撐了新能源、微電子信息、原子能等高端制造產業的發展，提升我國國際競爭力。這一成果發表論文近300余篇，出版專著2部，申請和獲得發明專利授權22項，獲國家技術發明二等獎1項（排名第一）、國家科技進步二等獎1項、省部級一等獎3項、省部級二等獎4項。

三、發明未來核聚變堆面向等離子體最關鍵全鎢偏濾器材料和部件制備技術，將我國鎢材料研究推向國際最前沿領域

核聚變能與核裂變能相比，具有無核輻射危險、釋能大等顯著優點。為解決核聚變能的可控利用，中、美、俄、歐盟、韓、日、印七方成立了目前最大的國際合作項目—國際熱核聚變實驗堆（ITER），我國也已啟動了中國聚變工程實驗堆（CFETR）建造計劃，這將開啟人類未來能源的理想途徑。聚變堆面向等離子體材料在運行時，承受高能等離子體持續長時間轟擊，并在表面產生2000℃以上的高溫，對材料高溫性能和化學穩定性提出了極高要求。鎢由于具有極高的熔點、良好的化學穩定性等優點，被認為是未來聚變堆理想的面向等離子體最關鍵高溫結構材料部件。但是，現有鎢材料晶粒粗大、性能差，難以滿足未來聚變堆苛刻服役環境要求。針對這一難題，創新發明提出“納米/微納復合增強”和“納米梯度復合擴散連接”技術制備細晶全鎢偏濾器材料及部件。采用微量稀土氧化物和碳化物納米/微納復合增強鎢，實現其高強韌和高抗熱沖擊，與目前國際最先進商業鎢相比，抗熱沖擊性提高50%以上。采用納米梯度復合擴散連接技術，實現細晶鎢材料與熱沉結構材料高強度冶金結合，連接強度比傳統連接強度提高2倍。研究成果獲國際鎢領域權威刊物RM&HM;主編H.Ortnal評價“鎢領域重大技術進展”，國際核聚變權威機構CEA法國原子能委員會評價“為全鎢偏濾器提供全新技術途徑”，將我國鎢研究引入國際前沿系列。這一成果發表高水平論文40余篇，申請發明專利15項，獲得國家發明專利授權9項和國際專利授權1項。

在學術兼職領域，范景蓮還兼任總裝專項、國防科工局專家，國家獎勵計劃專家，國家核聚變重大專項專家組組長，硬質合金國家重點實驗室學術委員，美國粉末冶金協會會員，中國鎢協顧問、理事，《中國鎢業》和《硬質合金》編委。

此外，為了讓科技成果盡快應用于國家高新技術領域，范景蓮積極響應習近平總書記號召，“把論文寫在祖國的大地上”，使科技成果用起來，在創新驅動和軍民融合推動下，組建了由教授、副教授、博士、碩士、工程人員組成的產學研創新團隊，在寧鄉高新區政策和資金支持下，成立了“長沙微納坤宸新材料有限公司”，作為工程產業化基地。以“納米/微納復合”難熔金屬基復合材料技術原型為基礎，建立了一條從設計開發到制備，再到部件精密加工與集成的工程化生產線，使新型難熔金屬基復合材料在國家重大軍事工程成功應用，同時推廣應用于微電子、核能等國計民生各尖端技術領域，實現“讓成果走出實驗室，讓創新引領科技發展，讓知識更有價值”的轉變，走出了一條有特色的產—學—研—用的科研發展與成果轉化之路。

（本文轉自《中國科學報》）