包亦望：“簡單”沒那么簡單

趙廣立

用一個非常“簡單”的方法解決了大問題。有人跟包亦望開玩笑說，你這是用“雕蟲小技”解決世界難題。

如果不是他親口所說，記者不會相信，坐在面前的這位中國建筑材料科學(xué)研究總院的首席科學(xué)家、因填補國際多項材料評價空白而獲得國家科技進(jìn)步獎二等獎的包亦望，最初的靈感竟來源于自己曾是一名木匠。

“做木匠的經(jīng)歷對我而言非常重要，它培養(yǎng)了我的動手能力，這對我的科研有莫大幫助。”包亦望對記者說。

超過1500℃甚至2000℃的極端高溫條件下，如何評價材料的可靠性？在無機(jī)非金屬材料評價領(lǐng)域，類似的對材料剛度、強度等力學(xué)性能的評價，到處是這樣大大的問號。然而，包亦望發(fā)明的一些看起來“非常簡單”“一點就破”的方法，把這些問號變成了一串驚嘆號。

簡單的背后，并沒那么簡單。

跟木匠“專業(yè)對口”

包亦望高中上了才一個學(xué)期，就被母親攛掇著輟學(xué)：“賣田賣地不賣手藝”，“手有千金不如一技傍身”，托人把他送到木匠師傅那里學(xué)木匠活。

其實母親是被“下放”嚇怕了，當(dāng)時包亦望的哥哥和二姐都是“知識青年”，都被下放到很遠(yuǎn)的地方。

木匠學(xué)徒的日子清苦得很。包亦望每天一早起來要先砍一擔(dān)柴，早飯只有一碗粥和一個紅薯。白天幫活兒，晚上還要幫師傅帶小孩。一天下來，滿手都是血泡。

這樣的日子，包亦望干了不到一年，就受不了了。“我過著這種苦日子，感覺像回到了舊社會。”包亦望說，當(dāng)學(xué)徒的第一年就是掄斧子拉鋸子，干不滿三年，師傅根本不會傳授任何訣竅。

他開始琢磨著怎么自學(xué)成才。一次回家，包亦望在新華書店看到一本關(guān)于自學(xué)木工的書，他就買回家抱著“研究”了幾個月。后來，再出門接活兒就自稱“師傅”。

就這樣，包亦望當(dāng)了兩年木匠。由于沒有組織，平時只能靠熟人推介點活干。幸運的是，當(dāng)時有政策安排“留城待業(yè)青年”就業(yè)，包亦望服從安排，被分到縣商業(yè)局，謀得了一份商店營業(yè)員的工作。

那時候包亦望十幾歲，營業(yè)員的工作能讓他“走后門”幫人買一些煙酒糖茶，他暗自覺得這個工作還不錯—直到聽說同學(xué)考上大專的事情。剛開始他還不太相信：“大學(xué)不都是推薦的嗎？”

1977年國家恢復(fù)了中斷10年之久的高考，這燃起了包亦望的大學(xué)夢。“我也要考！”包亦望的想法很簡單：營業(yè)員這個工作我可干不了一輩子。

高中沒怎么上過的他，考大學(xué)談何容易。“要么不做，要么做好。”包亦望主動包攬了商店里所有的夜班—這可樂壞了其他營業(yè)員。對包亦望來說，夜深人靜的夜班正是學(xué)習(xí)的好時機(jī)。

1978年是第一年全國統(tǒng)考。商業(yè)局90多個考生，包亦望考了第一名。

成績歸成績，報什么學(xué)校和專業(yè)呢？他的老師給他建議：你不是學(xué)過木匠嗎？武漢建材工業(yè)學(xué)院（現(xiàn)武漢理工大學(xué)）是重點大學(xué)，跟你專業(yè)對口。

從此，一入建材行業(yè)就是幾十年，包亦望笑著說：“這個‘專業(yè)對口還真是對口了。”

回國干自己想干的事

包亦望剛進(jìn)入大學(xué)第二個星期，新生里要成立“師資班”，所有新生都要參加師資班（突然招生規(guī)模變大，需要師資力量）考試。因為只考數(shù)理化，包亦望考得不錯，其中物理考了99分。

原本，包亦望被分到非金屬礦系。當(dāng)時他對這個專業(yè)不甚了解：“我見過人家采礦，一個人拿鋼釬，一個人拿錘子，鑿石頭，然后把炸藥塞進(jìn)去爆破。考上大學(xué)還得干這個？”

由于物理成績很好，力學(xué)系的輔導(dǎo)員把他叫去，跟他說力學(xué)界有很多大名人，牛頓、愛因斯坦都是有名的力學(xué)家，中國的“三錢”，也是力學(xué)泰斗。“我一聽，就說‘我去我去。”就這樣，包亦望去了“力學(xué)師資班”。

不過包亦望后來并沒有如愿當(dāng)上老師，而是在專業(yè)上一頭鉆了進(jìn)去，先后考取了研究生和博士生，并于1995年在博士后研究申請到了德國的洪堡基金。

在德國的導(dǎo)師推薦了他一個赴美工作的機(jī)會。然而包亦望并不是很“買賬”。“在國外你很多時候就得服從，就算你有主意也得老板點頭同意。雖然賺得多，但我覺得不一定特別有發(fā)展，回國至少能干自己想干的事兒。”

帶著這樣的想法，他回到了讀博時的中國建筑材料研究總院。也就是從那時起，包亦望逐漸完成了他從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究的轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)而探索一些材料檢測的新技術(shù)和新方法，并開始在材料評價這個舞臺上大放異彩。

“雕蟲小技”解決世界難題

由于動手能力強，總能對問題的解決想出很多點子，大家都喊包亦望為“包管用”、“點子王”。

1986年，美國“挑戰(zhàn)者號”航天飛機(jī)在發(fā)射升空73秒后突然爆炸解體，機(jī)上7名宇航員全部罹難，全世界為之震驚。事故分析顯示，發(fā)射段的隔熱瓦脫落及其隨后撞擊到機(jī)身重要部分，造成不可修復(fù)的損害而致機(jī)身解體是事故發(fā)生的重要原因。

“表面隔熱瓦是一種無機(jī)非金屬材料，可以耐熱2000℃以上。它本身是焊接在金屬表面的。但它界面強度不夠，脫落后立刻因高溫摩擦穿透而爆炸。”包亦望對記者解釋說，界面強度（兩個物體的表面粘連面）的重要性不僅體現(xiàn)于此，許多高空樓體表面的瓷磚如果界面強度不夠，容易瓷磚脫落，高空墜落的后果不堪設(shè)想。

然而，那時國際上對界面強度的性能評價還是個空白。脆性材料難以直接進(jìn)行拉伸載荷試驗，高溫下測試更難。

一個博士生也來找他咨詢這個世界性難題：怎么測陶瓷與金屬焊接面的拉伸強度？如何采用壓向載荷在界面產(chǎn)生均勻的拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力？包亦望陷入了苦思冥想。一天，他突然想到，如果把一塊陶瓷一塊金屬十字交叉焊接在一起，然后把下面的部分放在一個固定槽里，上面的一塊就跨在了槽兩邊，這樣施加正向壓力和立起來后施加推力，不就可以實現(xiàn)界面受拉、界面受剪（切）了嗎？

實驗證明，這種辦法簡單可行。由于結(jié)構(gòu)陶瓷很多情況下用于高溫環(huán)境，高溫界面強度的評價如果采用耐高溫陶瓷夾具，也可以實現(xiàn)高溫界面強度的測試。從而一舉攻克了高溫環(huán)境下的測試難題。而“十字交叉法”也經(jīng)ISO/TC 206精細(xì)陶瓷標(biāo)準(zhǔn)化委員會17個永久性成員國全票通過，立項為ISO標(biāo)準(zhǔn)（常溫下和高溫下各一），也一舉填補了陶瓷材料常溫和高溫界面黏結(jié)強度的測試空白。

用一個非常“簡單”的方法解決了大問題，有人跟包亦望開玩笑說，你這是用“雕蟲小技”解決世界難題。

國際突圍

包亦望的“點子”往往都是這樣，只要他跟別人講完了，聽講者大都如夢初醒：“哦，原來這么簡單。”

他近期發(fā)明的一種標(biāo)準(zhǔn)方法亦是如此。更重要的是，在該方法的國際標(biāo)準(zhǔn)制定上，他們贏下了優(yōu)勢在握的其他國家。

陶瓷涂層難以從基體上有效剝離，因此難以直接、準(zhǔn)確測試涂層的密度、強度、彈性模量（剛度）等宏觀力學(xué)性能。然而知道涂層的這些指標(biāo)很重要：它能反映涂層的耐久性。

包亦望這次來了個“圍魏救趙”。“大家都知道怎么用阿基米德法測密度，我想到這個思路：在涂上涂層之前測一次密度，涂上涂層之后再測復(fù)合體的密度，通過建立這3個密度之間的解析關(guān)系式，就能算出涂層的密度。”

“這個方法叫作‘相對法。”包亦望告訴記者，相對法的核心就是幾個參數(shù)之間的解析關(guān)系式，只要有關(guān)系式，這個方法還可以推廣用于測量涂層的彈性模量、強度、膨脹系數(shù)等。

2013年ISO組織向全世界征求陶瓷涂層測試技術(shù)時，包亦望提交了相對法的解決方案。然而，幾乎同樣的方法，其他國家也在申請。

雙方要“PK”。最終雙方的提交案送到了ISO顧問的手里，由他進(jìn)行仲裁。

通過對原始資料的對比分析，仲裁人發(fā)現(xiàn)中國送呈的原始材料先于其他國家（2007年包亦望等人在《Mater. Sci. &Eng.》刊文介紹過該方法），裁定原始創(chuàng)新出自中國。ISO隨后也將此標(biāo)準(zhǔn)制定項目由中國主持，其他國家作為參與國參加。

除了原創(chuàng)性，中國的方案也更具有普適性，覆蓋了從常溫到高溫各種力學(xué)指標(biāo)的測量，比單一“評價陶瓷熱障涂層的彈性模量”適用范圍更廣。

填補更多空白

包亦望發(fā)明的相對法還可以解決過去國際上許多測量“禁區(qū)”。其中一個很具代表性的，就是中國在超高溫極端環(huán)境下的突破。

航天飛機(jī)、火箭噴火段周圍溫度達(dá)2000℃以上，而國際上材料性能測量的極限是1500℃，再往上就屬于“極端環(huán)境”。而隨著航天航空行業(yè)的發(fā)展，極端環(huán)境的性能檢測越來越緊迫。

要在如此高溫下測量，首先夾具、支撐物的材料就得耐高溫。為了解決這個問題，包亦望又動起了腦筋。

他想到了相對法：夾具耐不得高溫，那就給它冷卻，只讓測量部分承受高溫不就行了？

“局部高溫同步加載法”應(yīng)運而生。通過循環(huán)水冷系統(tǒng)，包亦望讓夾具周圍溫度不超過800℃，而通過對樣品預(yù)期斷裂處局部快速加熱，能達(dá)到2500℃。這樣，就能“不動聲色”地完成對超高溫極端環(huán)境下材料強度的測試。

然而，剛度評價就沒這么簡單了。測強度，傳感器放在高溫爐外部就可以了，但是測彈性模量要測變形，而且是微米級別的變形。

包亦望將相對法升級，提出“缺口環(huán)法”。他把樣品加工成類似戒指的環(huán)，分別測有缺口的環(huán)和同等外形的剛體，兩者在高溫真空下測量結(jié)果之差，就是它的彈性模量。

這是包亦望今年春節(jié)剛剛解決的難題，能夠測到2200℃。“我們已經(jīng)和ISO聯(lián)系，初步草案和申請書已經(jīng)交上去了。今年8月份去作陳述。”包亦望告訴記者，估計立項的可能性很大，因為1500℃～2500℃范圍內(nèi)彈性模量的測量是個空白。

不僅填補方法上的空白，包亦望也在填補儀器上的空白。“把儀器做出來，讓大家都能用。”他說。

目前，包亦望團(tuán)隊已經(jīng)研制出國際上首臺能夠測試1500℃～2500℃極端環(huán)境下材料力學(xué)性能的裝備。

（文章來源《中國科學(xué)報》）