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研究總院的首席科學家、因填補國際多項材料評價空白而獲得國家科技進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。

“做木匠的經歷對我而言非常重要，它培養了我的動手能力，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？在無機非金屬材料評價領域，類似的對材料剛度、強度等力學性能的評價，到處是這樣大大的問號。然而，包亦望發明的一些看起來“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“專業對口”

包亦望高中上了才一個學期，就被母親攛掇著輟學：“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木匠活。

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

木匠學徒的日子清苦得很。包亦望每天一早起來要先砍一擔柴，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，當學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成才。一次回家，包亦望在新華書店看到一本關于自學木工的書，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，當時有政策安排“留城待業青年”就業，包亦望服從安排，被分到縣商業局，謀得了一份商店營業員的工作。

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

1977年國家恢復了中斷10年之久的高考，這燃起了包亦望的大學夢。“我也要考！”包亦望的想法很簡單：營業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員。對包亦望來說，夜深人靜的夜班正是學習的好時機。

1978年是第一年全國統考。商業局90多個考生，包亦望考了第一名。

成績歸成績，報什么學校和專業呢？他的老師給他建議：你不是學過木匠嗎？武漢建材工業學院（現武漢理工大學）是重點大學，跟你專業對口。

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

回國干自己想干的事

包亦望剛進入大學第二個星期，新生里要成立“師資班”，所有新生都要參加師資班（突然招生規模變大，需要師資力量）考試。因為只考數理化，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。當時他對這個專業不甚了解：“我見過人家采礦，一個人拿鋼釬，一個人拿錘子，鑿石頭，然后把炸藥塞進去爆破。考上大學還得干這個？”

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

不過包亦望后來并沒有如愿當上老師，而是在專業上一頭鉆了進去，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。

在德國的導師推薦了他一個赴美工作的機會。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研究到應用研究的轉型，轉而探索一些材料檢測的新技術和新方法，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“挑戰者號”航天飛機在發射升空73秒后突然爆炸解體，機上7名宇航員全部罹難，全世界為之震驚。事故分析顯示，發射段的隔熱瓦脫落及其隨后撞擊到機身重要部分，造成不可修復的損害而致機身解體是事故發生的重要原因。

“表面隔熱瓦是一種無機非金屬材料，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生均勻的拉伸應力和剪切應力？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。由于結構陶瓷很多情況下用于高溫環境，高溫界面強度的評價如果采用耐高溫陶瓷夾具，也可以實現高溫界面強度的測試。從而一舉攻克了高溫環境下的測試難題。而“十字交叉法”也經ISO/TC 206精細陶瓷標準化委員會17個永久性成員國全票通過，立項為ISO標準（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。”

他近期發明的一種標準方法亦是如此。更重要的是，在該方法的國際標準制定上，他們贏下了優勢在握的其他國家。

陶瓷涂層難以從基體上有效剝離，因此難以直接、準確測試涂層的密度、強度、彈性模量（剛度）等宏觀力學性能。然而知道涂層的這些指標很重要：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合體的密度，通過建立這3個密度之間的解析關系式，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之間的解析關系式，只要有關系式，這個方法還可以推廣用于測量涂層的彈性模量、強度、膨脹系數等。

2013年ISO組織向全世界征求陶瓷涂層測試技術時，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，由他進行仲裁。

通過對原始資料的對比分析，仲裁人發現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），裁定原始創新出自中國。ISO隨后也將此標準制定項目由中國主持，其他國家作為參與國參加。

除了原創性，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指標的測量，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

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

航天飛機、火箭噴火段周圍溫度達2000℃以上，而國際上材料性能測量的極限是1500℃，再往上就屬于“極端環境”。而隨著航天航空行業的發展，極端環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”應運而生。通過循環水冷系統，包亦望讓夾具周圍溫度不超過800℃，而通過對樣品預期斷裂處局部快速加熱，能達到2500℃。這樣，就能“不動聲色”地完成對超高溫極端環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“缺口環法”。他把樣品加工成類似戒指的環，分別測有缺口的環和同等外形的剛體，兩者在高溫真空下測量結果之差，就是它的彈性模量。

這是包亦望今年春節剛剛解決的難題，能夠測到2200℃。“我們已經和ISO聯系，初步草案和申請書已經交上去了。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，包亦望團隊已經研制出國際上首臺能夠測試1500℃～2500℃極端環境下材料力學性能的裝備。

（文章來源《中國科學報》）