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材料科学中的“1+1>2”

发布人: 发布时间:2007-6-22 21:40:41 访问量:57692

作者:   发表时间:2007-06-20   摘自:上海科技报  

  正如当前社会对人才的要求越来越趋向复合化一样,现代航天航空、汽车等领域对材料的要求也越来越多元化,越来越“苛刻”。譬如飞行器材料,一般而言,其重量要轻,强度要高,刚性要好,还要能抗辐射、高耐磨,以适应复杂的空间环境。而自然界的材料通常很难同时满足这些条件,于是,人工制备的复合材料就应运而生了。

  复合材料是指在某一种基体材料(如金属、树脂、陶瓷等)中加入一种其他材料(称为增强体),在物理性质和化学性质方面,制成的复合材料应同时具有基础材料和增强体的某些特点,以满足实际需要。上海交通大学复合材料研究所、金属基复合材料国家重点实验室多年从事金属基复合材料研究,日前,由所长、实验室主任张荻教授等完成的“非连续增强金属基复合材料制备科学研究”喜获2006年度上海自然科学奖一等奖。  

  复合胜单体 人工夺“天工”  

  我们在中学化学课学过,铝、镁等轻金属密度较低,刚度往往不够。而一根用镁基复合材料做成的小棒,却非常坚硬,记者从交大老师手里接过这根棒,用尽全力掰它,小棒纹丝不动。这个小例子让记者初步领略到复合材料的神奇。

  神奇远不止于此!一面四层楼高(约12.5米)的某航天空间站展开机构,其总重量竟然不到50公斤,如果除去展开机构中附带的必要装置,材料的净重只有区区22公斤,要知道这种材料可是满足了前面提到的那么多苛刻条件的。此外,在电子封装、汽车刹车盘等领域,上海交大研制的金属基复合材料都有出色的表现。欧洲宇航防务集团(EADS)、丰田、五十菱、加拿大铝业等世界知名企业纷纷慕名主动上门,和上海交大开展合作。

  上海交大对金属基复合材料的研究开始于1978年。“当时很多人都不看好金属基,而且由于这方面的研究最初是从国防领域发展起来的,比较敏感,很难具体了解国际上的研究进展。”上海交大复合材料研究所名誉所长张国定教授回忆道,“我们经过多方调研,觉得它符合国家的战略需求,很有发展前途。从那时起,我们一做就是30年,尽管中间有一段低谷,大批同行退出,但我们从未中断。”

  制备复合材料是一个精细活。上海交大的老师们对此感触颇深:“两种材料拿过来,既要让它们适度结合,又要控制它们之间的反应程度,还要调控它们的各自分布,而这些事情都是在几百上千度的高温和微米乃至纳米尺度下做的,你说难不难?”

  交大人知难而上,在老科学家的充分肯定和国家科技部、国家自然科学基金以及上海市科委的长期支持下,对这个领域展开了全面的探索:在金属基体方面,上个世纪80年代开始研究铝基、镁基,90年代开始涉足钛基;在增强体方面,他们最初关注连续增强体(如纤维),后来逐渐转向颗粒、晶须等非连续增强体。由于在复合材料的金属基和增强体两方面都积累了丰富的经验,他们总能根据实际需要制成满足密度、刚度、强度、膨胀系数、耐磨性、导热性等各项指标要求的实用材料。  

  理论系统化 告别“炒菜法”  

  “过去我们总把复合材料制备比作炒菜,还美其名曰‘炒菜法’。炒好了尝尝,可口的菜端上餐桌,不合胃口的菜就不要了。”张荻风趣地说。正是为了摒弃这种简单的“炒菜法”,避免制备过程中的盲目性、随意性,近年来,他们加大了对制备流程中的基础理论问题的研究力度,特别是针对高温复合制备困难、有效实时表征困难、复合材料加工成型困难这三大瓶颈问题,进行了深入研究,在理论成果的指导下构建了轻质高强多功能金属基复合材料的制备平台。

  “我们做基础研究的一大特色是系统性、完整性。”张荻介绍,国内外其他学者也曾进行这方面的理论研究,但相对而言比较零散,不成系统。而上海交大团队则在其丰富的复合材料制备实践经验基础上,将基础理论研究涵盖到复合材料制备的全过程——从复合材料的组分设计、复合工艺,到复合效果的表征评价,再到最终成品的加工成形。更为可贵的是,他们还在研究中进一步提出了“有效增强相”、“ 控型(控制技术原型)、控形(控制增强体形态)、控性(控制材料性能)”、“微观-细观-宏观跨尺度拟实表征”等颇有价值的概念和学术思想。

  基础理论提供了科学的预测和控制,节约了大量的人力、物力。在系统化制备理论的“全程呵护”下,上海交大近年来设计制备出多种非连续增强金属基复合材料,并得到验证和实际应用,形成了具有自主知识产权的制备技术,获得多项国家发明专利。

  上海交大在金属基复合材料领域的研究已多次获国家和上海市的科技进步奖项。这次,上海市政府向该团队颁发自然科学一等奖,正是对他们从实践出发探索基础理论的充分肯定。