复合材料有哪些(中国陶瓷基复合材料享誉世界,源于这位女院士29年前的抉择)

复合材料有哪些

新材料在线?《大国之材》原创文章,转载请联系微信:EILIG2014新材料在线 ID:xincailiaozaixian图片:受访人提供、图虫创意
她被誉为“中国陶瓷基复合材料开创者”。

她死磕高温合金叶片变形难题,成功制备出我国第一个无余量叶片,44岁获国家科技进步一等奖;

她扎根航空航天高温材料技术及其应用研究,57岁当选为中国工程院院士;

她主持“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”项目,66岁斩获“国家技术发明一等奖”,打破该奖项连续6年空缺。

整整五十九载的时光里,她将中国航空梦视为己任,秉承初心严于律己,在航空航天材料领域合著专著2部,授权国家发明专利50余项,发表SCI和EI收录论文400余篇,因此被人们尊称为“巾帼女院士”。

潜心科研时,她是雷厉风行的女院士。但走出实验室,暂时卸下“学术带头人”的重担,张立同与人交谈时眉宇间尽是温柔。

面对《大国之材》的采访,如今已82岁高龄的张立同院士总笑着说自己是“幸运”的,每每在科学研究中遇到难题,总会迎来意想不到的转机。提及解决高温合金叶片变形问题、攻克陶瓷基复合材料的制备技术等往事,她的目光热切而又充满希望。

01谱写发动机叶片华章

辛亥革命时期,在民族存亡的紧要关头,孙中山发出“振兴中华”的口号,确立“世界大同”、“中国大同”的社会理想。

张立同1938年生于重庆,极度崇拜孙中山的父亲,为她取名“立同”,寓意“立志大同”。

出生于动荡的年代,日本飞机轰炸声时常在年幼的张立同耳边呼啸,“跑警报”是生活常态。她便追问父亲:“中国为什么没有飞机?”父亲无奈地回答:“中国还造不出飞机!”这在她幼小的心灵埋下“励志学航空”的种子。

即便生活艰苦,但身为律师的父亲,却常常帮助穷苦百姓打官司,从小就教导张立同为人要正直。“爱国、正直”,她将父亲的教导铭记在心,一晃就是82年。

1945年抗战胜利,张立同跟随父母回到北京,彼时已经7岁的她才正式开始上学。1956年她考入北京航空学院,儿时“造飞机”的梦想又开始萌芽。

1958年由于全国专业调整支援西部,北航的两个专业师生被调到西北工业大学热加工系(即如今的材料科学与工程学院),张立同毕业后被留校任教,从此扎根西安。

上世纪七十年代初,张立同带学生到430厂、410等厂实习,她得知熔模精密铸造的镍基高温合金叶片普遍存在变形问题,致使叶片报废率高达50%。

当时一片叶片的价格相当于她四个月的工资!而叶片所用金属镍是我国用“60吨掐头去尾对虾换一吨镍”从苏联换来的!她心疼不已,责任感和使命感驱使她到430厂攻关克难,不降低叶片的报废率誓不罢休!

航空发动机是飞机的心脏,而叶片是航空发动机的核心构件,被称为“心脏中的心脏”。制备难度和质量控制难度都很大。

当张立同怀着满腔热情来到熔模铸造叶片车间,技术人员和工人都对她说:“叶片变形没有规律可循。”可她认为,凡事必有规律,攻克叶片变形难题必须先掌握叶片变形规律。

她与工人一起劳动,工人们渐渐对这个喜欢与难题“较真”的小丫头刮目相看,车间最终同意成立攻关组,由张立同牵头解决叶片变形难题。

通过日夜跟班劳动和查阅相关资料,张立同心生疑惑:熔点高达2050℃的电熔刚玉(Al2O3)陶瓷型壳材料用硅酸乙酯作粘结剂(即SiO2)制备的电熔刚玉陶瓷型壳,为什么会在1050℃就开始软化变形呢?

她对“电熔刚玉粉料”和“电熔刚玉陶瓷型壳”做化学分析后发现,电熔刚玉中存在0.5% 氧化钠,硅酸乙酯粘结剂高温分解成SiO2, 从而形成一定量低熔点钠长石,致使电熔刚玉型壳在1050℃就开始软化变形,导致高温合金叶片变形且增厚。

揪出“罪魁祸首”后,下一步就是寻找替代材料。

张立同从陶瓷相图中发现,莫来石是一种高温性能好且膨胀系数低的陶瓷材料,而陕西铜川上店高岭土就是以莫来石为主的优质高岭土。

于是,她与同事们尝试用价廉的上店高岭土取代电熔刚玉后,终于有效解决了“高温合金叶片的变形”的问题!“上店高岭土”后来被英国罗罗公司称为“高级莫洛卡特”。

1976年,她成功制备出我国第一个无余量叶片!正当大家分享成功的喜悦时,张立同又根据国家对“无余量高温合金定向凝固叶片”的需求,做出具有优良高温抗蠕变性的“莫来石结合电熔刚玉”陶瓷型壳材料,成功解决了定向凝固叶片用高温陶瓷型壳材料的问题!

张立同总是如此,国家需要就冲在最前面,众人欢呼时则深藏功与名再次投身科研。跟随她30年的学生成来飞教授认为她是“纯粹的科学家”。

02斩获国家技术发明一等奖

在寻求真理的长河中,唯有勤奋地学习,创造性地学习,不断地学习,才能越重山跨峻岭。

1989年,怀着报效祖国航天航空的憧憬,张立同踏上了异国他乡的研究征程,奔赴研究“未来国际大型空间站用陶瓷基复合材料”,从此进入陶瓷基复合材料领域。

据悉,陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与连续陶瓷纤维复合而成,具有类金属断裂行为、对裂纹不敏感、不会发生灾难性损毁的具有耐高温、高比强和高比刚等优良性能。在航空航天等国防领域具有广阔的应用前景,是先进材料领域的前沿性材料之一。

当金属材料的高温性能不能满足性能要求时,陶瓷基复合材料是接替高温合金的理想材料,可用作高温发动机热端构件的结构材料、航天器防热结构材料等。

张立同回到西工大就立即组织团队,申请发展航空发动机用“连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料”。本以为能迅速抢占时机,可当时有关管理部门对这种新材料还缺乏了解,因此未能获得支持。

正当他们为经费发愁时,一位广东老板来西工大请求他们研制一种“陶瓷滚杠”产品,研究经费20万元。最后,团队不仅按时完成“陶瓷滚杠”任务,还用该经费研制一台制备陶瓷基复合材料的小炉子,并制备出“连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料”小试样。

直到1995年我国要发展“高推重比航空发动机”,“连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料”才获准立项,要求在五年内不仅要突破关键技术,还要通过相关模拟环境考核。

这意味着团队不仅要从零开始探索构件的制备技术及其设备,还要通过相关应用考核。

5年,从研究材料到实现应用考核谈何容易?但轻言放弃不是张立同的风格。1992年冬天,为了调试热压炉,她带着成来飞等学生在实验室度过了最寒冷的春节,最终他们用这台小设备上把纤维增强陶瓷基材料试样做出来了。对团队而言,这是最好的春节礼物!

为适应构件制备需求,必须研究适于做产品的大炉子。1998年项目中期检查时,团队决定用放大的炉子制备一个陶瓷基复合材料大试件!结果,打开炉子一看,什么都没做出来,凝聚团队心血的新材料在第一次验收时以“失败”告终。

绝不“善罢甘休”的团队决定深入探究“问题出在哪?”,原来大设备的加热系统为感应加热,而该制备工艺只能用电阻加热。

可见,新材料研发的魅力不仅在科学原理,还必须研究与所研究材料相适应的工程技术,才能更上一层楼。

张立同团队先后做了4代设备试验了400余炉次,用了整整3年时间。1998年底团队终于制备出第一批性能合格的试样,拿出了“摔不烂”的陶瓷基复合材料。

这项新材料在2004年获得国家技术发明一等奖,打破该奖项连续6年的空缺,在国外引起巨大反响,国际专家评价:“中国的发展速度太快了,在这个领域已经不能没有中国了!”

03产学研结合打通全产业链

“材料是做出来的,唯有脚踏实地去做才能步步向前。”

根据GE公司的预测,到2023年航空发动机市场对陶瓷基复合材料的需求将递增10倍,目前国内外不少科研者正将陶瓷基复合材料推向民用市场。

从结构来看,连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料主要由碳化硅纤维、界面层和碳化硅陶瓷基体组成。“纤维相当于骨头,基体相当于肌肉,界面相当于筋,碳化硅基体相当于肌肉。”张立同向《大国之材》介绍道。

碳化硅纤维具有优异的力学性能、抗氧化性能、高温稳定性以及与陶瓷基体间的优良物理化学相容性,是目前最适用于航空发动机等领域陶瓷基复合材料的优质增强体材料。

“我这个人命好,要什么就来什么。”正当她为纤维原料发愁时,幸运之神再次如期而至。

2002年,张立同参加自然科学基金的项目评审,一眼就看到了厦门大学陈立富教授申请的碳化硅纤维项目未获批准。她决定去拜访这位教授。

看到陈立富利用废弃小楼里的实验室,用一台极其简陋的设备研究碳化硅纤维时,张立同被他的执著打动了,决定协助他发展碳化硅纤维。2003年,张立同作为双聘院士组建厦门大学特种先进材料实验室,专门从事陶瓷纤维研究。

2013年纤维团队终于突破工程化制备技术拟向产业转化时,难题又出现了:“很多国有企业都不敢投资,好不容易有一家答应投资,可要签合同时又不干了!”当张立同和陈立富在办公室正束手无策时,事情又迎来转机。

时任火炬电子董事长的蔡明通前来询问:“张老师,我想往新材料领域发展,您看研究什么?”张立同脱口而出:“做陶瓷纤维呀!”

或许是出于对张立同的信任,或许是这位企业家的爱国热忱,蔡明通立刻着手在福建漳州投资建厂、买设备,推动碳化硅纤维的产业化进程,支撑起我国连续纤维增强陶瓷基复合材料工程转化研究。

“人家花了几十亿做起来,还有哪个企业敢冒这个险?”谈起蔡明通的企业家担当,张立同的神情由温柔转为严肃,竖起来了大拇指,从心底由衷佩服。

打牢了纤维原材料的地基,才能形成陶瓷基复合材料的产业链条。其实早在2011年,张立同团队就决定成立西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司,将“陶瓷基复合材料构件制备技术”发展为“构件批量生产技术”,从而形成批产能力。如今,这家企业正在发展壮大,以满足航空、航天、核能、卫星光机结构、刹车等七大领域对陶瓷基复合材料的需求。

当陶瓷基复合材料的产业化做得风生水起,相关技术已成气候,张立同将项目都移交给团队的年轻人,再次默默隐退幕后潜心考虑下一步的发展。

八月的西北工业大学,蝉鸣声在烈日下回荡,校园内“超高温结构复合材料重点实验室”的石刻,经过数载风雨洗礼愈加显眼。

“我什么名都不要,只要干活就行。”如今,张立同只要不出差,就在实验室工作,向陶瓷基复合材料的更深处漫溯。

一纸记载,满腔情怀,欢迎指正THE END

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