創(chuàng)功能復合材料研究新路

功能陶瓷研究起步于上世紀，如今它已在自動控制、電子、通訊、能源、交通、航空航天等部門發(fā)揮著重要作用。關于它的研究也日漸增多，雖然中國在這一領域起步晚，但是也取得了一定的成就。孟慶森教授作為梯度功能陶瓷制備及連接研究領域的著名學者，為我國功能陶瓷的研究做出了重要貢獻。

孟慶森，工學博士，太原理工大學材料科學與工程學院教授(一級崗位)，博士生導師，兼任中國機械工程學會微納制造分會理事，中國機械工程學會失效分析分會理事，山西省焊接學會副理事長兼秘書長。

孟慶森多年致力于異種材料連接及界面物理性能領域的研究，承擔和完成了多項國家級和省級科研項目，多次訪問美國加州大學、澳大利亞ZWOLLONGONG大學開展合作研究。他在多物理場條件下異種材料連接中的冶金學和材料物理學新理論和新觀點，得到了英國、美國、韓國。瑞典、新加坡及中國的同行專家和學者的廣泛認同。

其在兩個方面的研究發(fā)現(xiàn)在學術界占有重要地位，一是開發(fā)和發(fā)展了多層陶瓷(玻璃)功能陶瓷與金屬材料陽極鍵合工藝及其專用設備方面的技術。二是合成陶瓷一金屬層狀梯度復合材料，實現(xiàn)了功能陶瓷與金屬材料的快速連接。

第一，在功能陶瓷與金屬材料陽極鍵合工藝的研究方面，孟慶森采用高溫和高電壓靜電鍵合技術，通過對離子導電陶瓷(玻璃)材料與金屬的高溫靜電場連接過程及界面結構及其形成原理的研究。他認為在溫度場和靜電場共同作用下結合界面形成的層狀擴散過渡層，對連接強度有重要貢獻。這一觀點，具有獨創(chuàng)性，在這一理論支持下，孟慶森拓展開發(fā)了多層材料共陽極法鍵合技術。

依據(jù)孟慶森提出的在溫度場和電場共同作用下陶瓷(玻璃)與金屬的鍵合界面形成的擴散過渡層及其對鍵合質(zhì)量的影響的觀點。他認為可以通過改變溫度和電壓及作用時間，來改變界面微觀結構和提高鍵合質(zhì)量。這對發(fā)展靜電鍵合封裝和MEMS技術具有較大科學意義和應用價值。

第二，在梯度復合材料研究上，孟慶森的這項研究采用MA-FAPAS復合技術，借助外加電場對被連接陶瓷表面的激活效應和中間層材料的燃燒反應放熱，一步完成梯度結構的原位合成以及各層之間的活性擴散連接實驗。研究了不同放熱體系、溫度場和電場強度等物理參數(shù)對材料燃燒合成過程和擴散連接界面的激活和形成結構機制的影響。

通過對(TIB2)pNi-Ni3AI-Ni等梯度復合材料的研究，孟慶森發(fā)現(xiàn)在電場、溫度場和應力場的協(xié)同作用下界面形成的均勻致密的過渡區(qū)梯度溶解層結構，主要受到合金相圖、反應熱、擴散系數(shù)及電子風效應等因素的影響。連接界面快速形成致密的梯度結構有利于改善異質(zhì)材料連接界面的大梯度應力分布的缺欠，提高連接強度和極端工況條件下的服役壽命。

這種梯度復合材料具有較高的強韌性能，表層硬度根據(jù)不同成分配比達到1.5-3.2GPa；抗熱震性達到循環(huán)80次／溫差500cC而不開裂；高溫抗磨性比WC金屬陶瓷提高23％／300℃。

孟慶森的研究得到國內(nèi)外學者的認可，他先后在國內(nèi)外核心專業(yè)雜志發(fā)表研究論文100余篇，其中70余篇被SCI、EI、ISPT收錄。主持和完成國家自然科學基金項目3項和省、部級科學研究項目7項，國家科技進步二等獎1項。山西省科技進步獎3項。

學術成果斐然的孟慶森，擁有多項發(fā)明專利，尤其非晶態(tài)氧化層輔助的陶瓷與金屬的靜電鍵合和功能陶瓷與金屬場致自蔓延燃燒連接，具有極強的使用價值。目前，他的研究團隊正致力于梯度功能材料在電力、礦山和太陽能熱發(fā)電等能源裝備中的開發(fā)應用。

孟慶森在學術研究的道路上風雨無阻幾十年。而今已過花甲之年的他仍然不放棄學術之路，在研究的過程中勤勤懇懇。這孜孜以求的探索精神，為無數(shù)學者樹立了榜樣。