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上海交大研制出納米陶瓷鋁合金新材料或成航空新材料

2017-08-08 09:21:24 作者：本網(wǎng)整理來源：東方網(wǎng) 分享至：

8月6號，上海交通大學(xué)召開新聞發(fā)布會，宣布由上海交大材料科學(xué)與工程學(xué)院王浩偉教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過30年的努力，研制出一種全新的陶鋁新材料——納米陶瓷鋁合金。

圖片說明：上海交大王浩偉教授展示納米陶瓷鋁合金材料模件。

據(jù)了解，這種全新的材料將納米陶瓷顆粒引入到鋁合金，提高了材料的剛度、強(qiáng)度，同時保持了鋁合金良好的加工制造性能，突破了規(guī)模化工程應(yīng)用的瓶頸，具有重量輕、高剛度、高強(qiáng)度、抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫等特點(diǎn)，目前已在天宮一號、氣象衛(wèi)星等航天、汽車、先進(jìn)電子設(shè)備領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

30年磨一劍，五代“材料人”合力攻堅(jiān)

納米陶瓷鋁合金從無到有，從研發(fā)到應(yīng)用歷經(jīng)30多年，它背后凝結(jié)著上海交大老、中、青五代“材料人”的心血和努力。

上世紀(jì)90年代，我國復(fù)合材料的創(chuàng)始人之一、上海交大金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建者吳人潔教授，最早提出了采用“原位自生”方法在鋁合金中長出陶瓷增強(qiáng)體，制備鋁基復(fù)合材料，進(jìn)入當(dāng)時材料制備的“無人區(qū)”。

“我們從1992年就開始了納米陶瓷鋁合金的基礎(chǔ)研究，當(dāng)時國際上采用的都是鋁里‘摻’陶瓷的物理方法，效果都不是很理想；吳人潔教授第一次提出用化學(xué)方法在鋁里‘長’陶瓷，這是非常新穎的思路。這也難怪，對于金屬冶金來說，非金屬（比如陶瓷成分）是金屬中的雜質(zhì)成分，研究人員避之猶恐不及，哪兒有人還自己通過化學(xué)方法摻入‘雜質(zhì)’啊。但在后來的研究中我們發(fā)現(xiàn)，只要通過控制化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，把陶瓷顆粒的尺度、形態(tài)和分布控制在合理的范圍內(nèi)，這些調(diào)皮的‘陶瓷小精靈’就能發(fā)揮作用，變成對材料有幫助的部分。”王浩偉教授介紹說。

圖片說明：上海交大王浩偉教授正在發(fā)布會上介紹納米陶瓷鋁合金新材料。

王浩偉研究生階段師從在鑄造界享有盛譽(yù)的周堯和院士。1996年，周堯和院士在上海交大開辟了“生態(tài)材料學(xué)”這一全新研究領(lǐng)域。在吳人潔教授和周堯和院士的指導(dǎo)下，王浩偉教授帶著團(tuán)隊(duì)的青年科研骨干持續(xù)攻關(guān)，三十年磨一劍，終于迎來了納米陶瓷鋁合金的誕生。

“除了周堯和院士和吳人潔教授兩位20年代出生的‘元老’以外，團(tuán)隊(duì)里的其他科研人員分別是四十年代、五六十年代、七十年代和八十年代出生的。”王浩偉教授說，團(tuán)隊(duì)里的五代科研人員都敢想敢干，他們總是沖在國家科研最需要的第一線。納米陶瓷鋁合金要在上千度的高溫爐里合成，即便夏日炎炎，他和團(tuán)隊(duì)成員也常常夜以繼日地守在爐邊反復(fù)實(shí)驗(yàn)。

王浩偉教授團(tuán)隊(duì)的一位青年科研人員回憶說，材料攻關(guān)完成后，當(dāng)采用納米陶瓷鋁合金制備的裝備第一次通過試驗(yàn)考核時，也許是因?yàn)槌晒蟮南矏偅只蛘呤嵌嗄昕蒲泄リP(guān)壓力的突然釋放，王浩偉教授在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場突發(fā)心臟病，幸虧救護(hù)車及時趕到才有驚無險(xiǎn)。

“我很幸運(yùn)，得到了周堯和院士和吳人潔教授的共同指導(dǎo)，他們都是各自領(lǐng)域的大家，這種很好的學(xué)科交叉環(huán)境拓寬了我的研究思路，也讓我在納米陶瓷鋁合金的研發(fā)道路上走得越來越堅(jiān)定。周堯和院士當(dāng)年為了激勵生態(tài)材料學(xué)課題組內(nèi)的年輕人，斟酌再三，把生態(tài)材料學(xué)（Ecomaterials）的英文字頭‘ECO’三個字母，重新詮釋出‘Excellence’（卓越）、‘Cooperation’（合作）和‘Originality’（原創(chuàng)）的含義。30年來，這三個詞一直是支撐我們團(tuán)隊(duì)潛心科研的精神支柱。做出中國人真正原創(chuàng)的東西，是我們團(tuán)隊(duì)追求的終極目標(biāo)。”王浩偉教授說。

助力國產(chǎn)大飛機(jī)，或成為新一代航空材料

陶瓷很脆，一摔就碎；鋁很軟，一掰就彎——這是普通人對于陶瓷和鋁這兩種材料的印象。可是上海交大材料科學(xué)與工程學(xué)院王浩偉教授團(tuán)隊(duì)讓鋁里“長”出陶瓷，造出了一個陶鋁“大力士”，這個“大力士”身輕如燕卻力大無窮，比強(qiáng)度和比剛度甚至超過了“太空金屬”鈦合金，它不僅為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“中國制造”增添了一個新成員，還有望“四兩扛千斤”，或?qū)雍娇铡⑵嚒⒏哞F領(lǐng)域步入更輕、更節(jié)能的新材料時代。

記者了解到，復(fù)合材料是航空材料領(lǐng)域爭奪的技術(shù)高地，“一代材料，一代飛機(jī)”，每一次航空材料的變革都帶來了航空技術(shù)的巨大進(jìn)步。為了保證飛行安全，民用客機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)材料對抗腐蝕、抗疲勞性要求極高，為了使飛機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)、舒適、環(huán)保，重量輕、抗腐蝕、耐疲勞的鋁鋰合金材料和碳纖維復(fù)合材料是目前新一代飛機(jī)研制較為理想的結(jié)構(gòu)材料。

如今，王浩偉教授團(tuán)隊(duì)研制的納米陶瓷鋁合金材料則具有更大的減重潛力，而且工藝性好、成本低，有望成為下一代航空新材料，使國產(chǎn)大飛機(jī)更輕快、更安全地在藍(lán)天翱翔。

“相比鈦合金和高溫合金，鋁合金3D打印后性能遠(yuǎn)低于鍛件，納米陶瓷鋁合金3D打印構(gòu)件可以達(dá)到鍛件的性能。我們現(xiàn)在正加緊和中國商飛、中國商發(fā)合作，助推國產(chǎn)大飛機(jī)用上這種具有我們中國自主知識產(chǎn)權(quán)的新材料。”王浩偉教授表示，目前納米陶瓷鋁合金已經(jīng)用于天宮一號、天宮二號、量子衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等關(guān)鍵部件翱翔于太空。同時，應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)活塞和汽車關(guān)鍵部件，不僅能有效減重，還可以節(jié)能減排、提高安全性。

值得一提的是，就在兩天前，8月4日，安徽省淮北市人民政府、上海交通大學(xué)、上海均瑤（集團(tuán)）有限公司、安徽相邦復(fù)合材料有限公司簽署“四方協(xié)議”，依托上海交大材料科學(xué)與工程學(xué)院王浩偉教授團(tuán)隊(duì)建設(shè)交大陶鋁新材料創(chuàng)新中心。此舉也讓科研成果走出了實(shí)驗(yàn)室，為社會創(chuàng)造出更大的價(jià)值。

事實(shí)上，長期以來，上海交大就對王浩偉教授團(tuán)隊(duì)的納米陶瓷鋁合金項(xiàng)目給予了持續(xù)的大力資助和支持，同時也積極對外尋找成果落地轉(zhuǎn)化的合作條件。

2013年，安徽省淮北市政府從土地、資金、政策、人才等進(jìn)行了多方支持，形成了具有年產(chǎn)千噸級中試及生產(chǎn)基地，并成立了安徽相邦復(fù)合材料有限公司，使納米陶瓷鋁合金材料的量產(chǎn)能力能滿足在航天、航空、汽車等領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的需求。2015年，上海交大與上海均瑤（集團(tuán)）有限公司合作建設(shè)聯(lián)合研發(fā)中心，使納米陶瓷鋁合金迅速進(jìn)入航空和汽車等百億以上級別的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

在航空領(lǐng)域，目前王浩偉教授團(tuán)隊(duì)已在航發(fā)、商發(fā)開展多種航空發(fā)動機(jī)葉片試驗(yàn)，與中國商飛實(shí)現(xiàn)深度合作，劍指“新一代航空材料”，在汽車領(lǐng)域，轉(zhuǎn)向節(jié)已通過臺架試驗(yàn)，內(nèi)燃機(jī)活塞也即將量產(chǎn)。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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