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上海交大研制出纳米陶瓷铝合金 或成下一代航空新材料
2017-08-07 10:16  刘晓晶   来源:东方网 

  今天上午,上海交通大学召开新闻发布会,宣布由上海交大材料科学与工程学院王浩伟教授领衔的科研团队经过30年的努力,研制出一种全新的陶铝新材料——纳米陶瓷铝合金。

图片说明:上海交大王浩伟教授展示纳米陶瓷铝合金材料模件。

  据了解,这种全新的材料将纳米陶瓷颗粒引入到铝合金,提高了材料的刚度、强度,同时保持了铝合金良好的加工制造性能,突破了规模化工程应用的瓶颈,具有重量轻、高刚度、高强度、抗疲劳、低膨胀、高阻尼、耐高温等特点,目前已在天宫一号、气象卫星等航天、汽车、先进电子设备领域得到了应用。

  30年磨一剑,五代“材料人”合力攻坚

  纳米陶瓷铝合金从无到有,从研发到应用历经30多年,它背后凝结着上海交大老、中、青五代“材料人”的心血和努力。

  上世纪90年代,我国复合材料的创始人之一、上海交大金属基复合材料国家重点实验室创建者吴人洁教授,最早提出了采用“原位自生”方法在铝合金中长出陶瓷增强体,制备铝基复合材料,进入当时材料制备的“无人区”。

  “我们从1992年就开始了纳米陶瓷铝合金的基础研究,当时国际上采用的都是铝里‘掺’陶瓷的物理方法,效果都不是很理想;吴人洁教授第一次提出用化学方法在铝里‘长’陶瓷,这是非常新颖的思路。这也难怪,对于金属冶金来说,非金属(比如陶瓷成分)是金属中的杂质成分,研究人员避之犹恐不及,哪儿有人还自己通过化学方法掺入‘杂质’啊。但在后来的研究中我们发现,只要通过控制化学反应的进程,把陶瓷颗粒的尺度、形态和分布控制在合理的范围内,这些调皮的‘陶瓷小精灵’就能发挥作用,变成对材料有帮助的部分。”王浩伟教授介绍说。

图片说明:上海交大王浩伟教授正在发布会上介绍纳米陶瓷铝合金新材料。

  王浩伟研究生阶段师从在铸造界享有盛誉的周尧和院士。1996年,周尧和院士在上海交大开辟了“生态材料学”这一全新研究领域。在吴人洁教授和周尧和院士的指导下,王浩伟教授带着团队的青年科研骨干持续攻关,三十年磨一剑,终于迎来了纳米陶瓷铝合金的诞生。

  “除了周尧和院士和吴人洁教授两位20年代出生的‘元老’以外,团队里的其他科研人员分别是四十年代、五六十年代、七十年代和八十年代出生的。”王浩伟教授说,团队里的五代科研人员都敢想敢干,他们总是冲在国家科研最需要的第一线。纳米陶瓷铝合金要在上千度的高温炉里合成,即便夏日炎炎,他和团队成员也常常夜以继日地守在炉边反复实验。

  王浩伟教授团队的一位青年科研人员回忆说,材料攻关完成后,当采用纳米陶瓷铝合金制备的装备第一次通过试验考核时,也许是因为成功后的喜悦,又或者是多年科研攻关压力的突然释放,王浩伟教授在实验现场突发心脏病,幸亏救护车及时赶到才有惊无险。

  “我很幸运,得到了周尧和院士和吴人洁教授的共同指导,他们都是各自领域的大家,这种很好的学科交叉环境拓宽了我的研究思路,也让我在纳米陶瓷铝合金的研发道路上走得越来越坚定。周尧和院士当年为了激励生态材料学课题组内的年轻人,斟酌再三,把生态材料学(Ecomaterials)的英文字头‘ECO’三个字母,重新诠释出‘Excellence’(卓越)、‘Cooperation’(合作)和‘Originality’(原创)的含义。30年来,这三个词一直是支撑我们团队潜心科研的精神支柱。做出中国人真正原创的东西,是我们团队追求的终极目标。”王浩伟教授说。

  助力国产大飞机,或成为新一代航空材料

  陶瓷很脆,一摔就碎;铝很软,一掰就弯——这是普通人对于陶瓷和铝这两种材料的印象。可是上海交大材料科学与工程学院王浩伟教授团队让铝里“长”出陶瓷,造出了一个陶铝“大力士”,这个“大力士”身轻如燕却力大无穷,比强度和比刚度甚至超过了“太空金属”钛合金,它不仅为具有自主知识产权的“中国制造”增添了一个新成员,还有望“四两扛千斤”,或将带动航空、汽车、高铁领域步入更轻、更节能的新材料时代。

  记者了解到,复合材料是航空材料领域争夺的技术高地,“一代材料,一代飞机”,每一次航空材料的变革都带来了航空技术的巨大进步。为了保证飞行安全,民用客机的机体结构材料对抗腐蚀、抗疲劳性要求极高,为了使飞机安全、经济、舒适、环保,重量轻、抗腐蚀、耐疲劳的铝锂合金材料和碳纤维复合材料是目前新一代飞机研制较为理想的结构材料。

  如今,王浩伟教授团队研制的纳米陶瓷铝合金材料则具有更大的减重潜力,而且工艺性好、成本低,有望成为下一代航空新材料,使国产大飞机更轻快、更安全地在蓝天翱翔。

  “相比钛合金和高温合金,铝合金3D打印后性能远低于锻件,纳米陶瓷铝合金3D打印构件可以达到锻件的性能。我们现在正加紧和中国商飞、中国商发合作,助推国产大飞机用上这种具有我们中国自主知识产权的新材料。”王浩伟教授表示,目前纳米陶瓷铝合金已经用于天宫一号、天宫二号、量子卫星、气象卫星等关键部件翱翔于太空。同时,应用于内燃机活塞和汽车关键部件,不仅能有效减重,还可以节能减排、提高安全性。

  值得一提的是,就在两天前,8月4日,安徽省淮北市人民政府、上海交通大学、上海均瑶(集团)有限公司、安徽相邦复合材料有限公司签署“四方协议”,依托上海交大材料科学与工程学院王浩伟教授团队建设交大陶铝新材料创新中心。此举也让科研成果走出了实验室,为社会创造出更大的价值。

  事实上,长期以来,上海交大就对王浩伟教授团队的纳米陶瓷铝合金项目给予了持续的大力资助和支持,同时也积极对外寻找成果落地转化的合作条件。

  2013年,安徽省淮北市政府从土地、资金、政策、人才等进行了多方支持,形成了具有年产千吨级中试及生产基地,并成立了安徽相邦复合材料有限公司,使纳米陶瓷铝合金材料的量产能力能满足在航天、航空、汽车等领域大规模应用的需求。2015年,上海交大与上海均瑶(集团)有限公司合作建设联合研发中心,使纳米陶瓷铝合金迅速进入航空和汽车等百亿以上级别的产业领域。

  在航空领域,目前王浩伟教授团队已在航发、商发开展多种航空发动机叶片试验,与中国商飞实现深度合作,剑指“新一代航空材料”,在汽车领域,转向节已通过台架试验,内燃机活塞也即将量产。

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