讓鋁里“長”出陶瓷，造出了一個(gè)陶鋁“大力士”——王浩偉，這位上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的教授一下子出名了。
王浩偉教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的陶鋁“大力士”正式名稱叫作“納米陶瓷鋁合金”。這種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型材料比強(qiáng)度和比剛度可以超過鈦合金，但體重輕、“身價(jià)”低，將帶動(dòng)航空、汽車、高鐵行業(yè)步入更輕、更節(jié)能的新材料時(shí)代。
陶鋁“大力士”助推“材料輕量化革命”
“大家小時(shí)候都玩水玩沙子，我的專業(yè)就是把‘水’和‘沙子’摻在一起玩兒。”王浩偉所說的“水”正是用于鑄造的金屬鋁，“沙子”則是陶瓷。鋁很輕，但太軟，易變形、易斷裂；陶瓷的強(qiáng)度和硬度非常好，但易碎。如果把陶瓷的屬性摻到鋁里，制作出來的材料會(huì)不會(huì)結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)？納米陶瓷鋁合金就是按照這個(gè)思路研究出來的，這項(xiàng)研究王浩偉一做就是30年。
鋁里“摻”陶瓷的辦法說起來容易，實(shí)際做起來沒那么簡單。上世紀(jì)90年代，國際上陶鋁復(fù)合材料研究熱鬧了一段時(shí)間，當(dāng)時(shí)的通行方法是先把陶瓷制成顆粒或纖維，然后用攪拌鑄造或粉末冶金的方法混入鋁合金中獲得鋁基復(fù)合材料。這種辦法提高了材料的強(qiáng)度和剛度，但是又會(huì)出現(xiàn)加工成形困難、強(qiáng)度及塑性差和性能不穩(wěn)定等一系列問題，嚴(yán)重阻礙了這種材料的工程應(yīng)用，其研發(fā)也漸漸沉寂。
王浩偉卻咬定青山不放松，為研發(fā)尋找新思路。“既然用物理方法從外面往鋁里摻陶瓷的路走不通了，我們又想了另外一個(gè)辦法——‘無中生有’，讓陶瓷自己從鋁里‘長’出來，這樣兩種材料就能相容了，如果再搞成納米，就把陶瓷的屬性真正加到了鋁里面，生成了一種渾然一體的新材料。”王浩偉介紹說，最終采用“原位自生技術(shù)”，通過熔體控制自生，陶瓷顆粒的尺寸由外加法的幾十微米降低到納米級(jí)，突破了外加陶瓷鋁基復(fù)合材料塑性低、加工難等應(yīng)用瓶頸。
這種納米陶瓷鋁合金，不僅重量輕，且具有高剛度、高強(qiáng)度、抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫等特點(diǎn)，同時(shí)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，已在航天、汽車、先進(jìn)電子設(shè)備領(lǐng)域得到了應(yīng)用。中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司副總經(jīng)理、C919大型客機(jī)總設(shè)計(jì)師吳光輝認(rèn)為：相比鋁鋰合金材料和碳纖維復(fù)合材料，納米陶瓷鋁合金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。他還透露，目前納米陶瓷鋁合金型材試驗(yàn)很讓人滿意，下一步將進(jìn)行板材和鍛件試驗(yàn)。
為了讓納米陶瓷鋁合金盡快產(chǎn)業(yè)化、為社會(huì)創(chuàng)造出更大的價(jià)值，2017年8月4日，上海交通大學(xué)、安徽省淮北市人民政府、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”，依托王浩偉教授團(tuán)隊(duì)建設(shè)交大陶鋁新材料創(chuàng)新中心。上海交大先進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院院長劉燕剛說：四方合作將搭建一個(gè)有利于納米陶瓷鋁合金拓展應(yīng)用的市場化運(yùn)作平臺(tái)，建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料生產(chǎn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝以及使用標(biāo)準(zhǔn)等成套體系。
五代“材料人”接力30余年
納米陶瓷鋁合金從無到有，王浩偉教授描述得就像“玩水玩沙子”那么輕松，但實(shí)際上這種材料從研發(fā)到應(yīng)用歷經(jīng)30多年，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(shí)材料制備的“無人區(qū)”。
“當(dāng)時(shí)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。”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上世紀(jì)20年代出生的‘元老’以外，團(tuán)隊(duì)里的其他科研人員從40后、50后、60后、70后到80后老少共五代人，現(xiàn)在又帶領(lǐng)了新一代的90后。”王浩偉說，“周堯和院士當(dāng)年為了激勵(lì)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(gè)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(gè)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)。”
王浩偉團(tuán)隊(duì)的馬乃恒教授介紹說，材料攻關(guān)的過程很艱辛，尤其是開初，學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，王浩偉常常要扛著幾十公斤的實(shí)驗(yàn)材料去兄弟高校做實(shí)驗(yàn)。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(shí)，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，王浩偉在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場突發(fā)心臟病，幸虧救護(hù)車及時(shí)趕到。不過，王浩偉說，成功屬于整個(gè)團(tuán)隊(duì)，屬于上海交通大學(xué)。“堅(jiān)持走創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的發(fā)展道路，是加快建設(shè)制造強(qiáng)國的重要方針，高校作為科技創(chuàng)新的重要基地，是推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)不可或缺的重要力量，在重大原始創(chuàng)新、共性技術(shù)突破、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新以及推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化等方面，承擔(dān)著不可替代的職責(zé)與使命。”上海交通大學(xué)校長、中國工程院院士林忠欽說。
不做老板做老師
科研中孜孜以求，講臺(tái)上更不含糊。從1997年開始為本科生上基礎(chǔ)課，在講臺(tái)上站了20年，王浩偉如今每次上課前夜仍會(huì)“習(xí)慣性”失眠。“材料學(xué)的原理說白了就是打鐵、翻砂，要讓學(xué)生喜歡上自己所學(xué)，不花心思怎么行？”所以，王浩偉每次上課前夜都睡不著。
王浩偉上的課叫作《材料加工原理》，一看名稱感覺挺枯燥，但卻被學(xué)生們追著上。因?yàn)榭菰锏脑肀煌趵蠋熤v得妙趣橫生：下雨天，調(diào)皮的小孩撐傘時(shí)一轉(zhuǎn)，水滴四散開，這里面有什么原理？泡茶時(shí)，為什么上面的茶味淡，下面的茶味濃，每口茶的成分一樣嗎？零度的水能結(jié)冰嗎，結(jié)冰的過程又是怎樣？……王浩偉每節(jié)課至少都得抖一個(gè)“大包袱”，再枯燥的原理學(xué)生也能記得住、學(xué)得進(jìn)。在他的課堂上，小孩子吹泡泡、甩泥巴，都能和材料學(xué)原理扯上關(guān)系。
王浩偉說：教材總是從理論到理論，其中的枯燥會(huì)讓學(xué)生望而卻步。而科學(xué)原理終究是要用來解決實(shí)際問題的，生活中的小事足以囊括一本教科書中的原理。今年的《材料加工原理》期末考試，王浩偉出的壓軸大題是：“夏天吃冰棍，哪部分最甜？”學(xué)生們告訴記者，這道看起來好玩的題目和材料科學(xué)關(guān)系大著呢。一根冰棍里，最甜的肯定是糖分濃度最高的那截，這得用傳熱與潤濕、結(jié)晶形核與生長、凝固過程中的溶質(zhì)再分配等大量材料學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)行綜合計(jì)算和分析，基本功不扎實(shí)，肯定做不出來。
在學(xué)生們眼中，“上王老師的課就像打怪升級(jí)，每解決一道生活問題，猶如勝利通關(guān)。”他們不知道的是，為了想出辦法領(lǐng)著他們勝利通關(guān)，王老師經(jīng)常徹夜難眠。
王浩偉用上課的魅力將不少學(xué)生引進(jìn)了科研的大門，夏存娟就是其中之一。2003年時(shí)，她在王老師的課堂上萌生了對(duì)科研的興趣，如今已經(jīng)是王浩偉團(tuán)隊(duì)的骨干。在她眼中，講課時(shí)的王老師幽默風(fēng)趣，科研時(shí)的王老師卻非常嚴(yán)厲，夏存娟就曾經(jīng)因?yàn)榭蒲辛⒁獠粔蚋弑粍w哭過。很多研究生習(xí)慣在背后稱呼導(dǎo)師為“老板”，到了王浩偉這兒，“老板”這個(gè)詞絕不讓叫。“我是老師，不是什么‘老板’，學(xué)生是來跟著我學(xué)東西的，不是來打工的。”他要求自己帶的博士生論文選題“立得高”，只做前人沒做過的事還不夠，得瞄準(zhǔn)國家和社會(huì)的需要解決問題。
在王浩偉教授的帶動(dòng)下，這支隊(duì)伍踏實(shí)地耕耘在科研一線。“我們30年只專心做了一件事，值了。”王浩偉說。
本文來自：新華社
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