立足航天需求 追求更高性能

宋潔

“非連續增強金屬基復合材料”，顧名思義，就是在金屬基體中加入非連續增強體。這樣一來，復合性能可通過增強體的種類、含量、尺寸、構型及復合界面進行設計與調控，優勢互補，從而使材料的輕量化、高強度、高模量、高熱導、低膨脹等性能得到進一步提升。

這種優勢令其在航天工程等國家戰略性高技術領域占據了重要的戰略性地位，而發達國家又針對該材料對我國一直實行材料禁運和技術封鎖。為了發展我國獨立自主的高性能的金屬基復合材料，上世紀90年代初期，國家科技部部署成立了金屬基復合材料國家重點實驗室，并積聚一批復合材料研究人員立足國家的重大迫切需求，針對金屬基復合材料中的復合調控難、界面匹配難、形變加工難等關鍵科學問題和復合技術攻關?！昂教煊梅沁B續增強金屬基復合材料制備科學基礎研究”，就是在該實驗室以及國家自然科學基金委、國家科技部等部門的支持下，由上海交通大學張荻、張國定等人帶領課題團隊展開的。

從1994年起，研究課題組歷時20余年，由7項國家自然科學基金項目資助，開展了非連續增強金屬基復合材料共性關鍵基礎科學問題——復合設計熱力學規律、界面調控規律和形變加工機理研究工作，為非連續增強金屬基復合材料制備科學提供了系統理論依據，取得了一系列突破。

針對材料復合調控和設計難問題，他們積極開展鋁基、鈦基復合材料復合制備過程中熱力學與動力學研究，成功實現了金屬基復合材料界面反應控制與增強體的均勻分布；提出的有效增強相熱力學計算方法被本領域權威期刊Metal. Mater. Transaction等引用并直接用來指導金屬基復合材料的設計。

同時，他們開展了增強體/基體非共格界面和共格界面的界面調控規律研究。針對非共格界面提出了緩解增強體/金屬基體界面微區力學不均勻性的界面設計準則；針對共格界面和半共格界面，闡釋了增強體與基體合金及不同增強體之間位向關系形成機理，建立了鈦基復合材料微觀—細觀—宏觀跨尺度擬實模型，為高性能鈦基復合材料力學性能預測提供了理論依據。提出的“緩解增強體/基體界面微區力學性能不均勻性”的界面設計準則，被歐洲科學院院士Javier Liorca教授評述為該領域的重要進展。

另一方面，硬脆增強體加入金屬基之后，變形極為困難，使制備出的復合材料難以大變形加工成航天用的復雜構件。為此，他們開展了復合材料的形變機制研究，相繼發現并揭示了非連續增強鋁基、鈦基復合材料塑性和超塑性變形機理與規律，實現了鋁基、鈦復合材料超塑性大變形，為鋁、鈦基復合材料及其構件大變形、精密成形加工提供了理論依據。美國空軍研究實驗室首席科學家D.B.Miracle就評價該團隊的工作證實了難變形的鈦基復合材料具有良好超塑性變形行為，而且增強體的引入有助于超塑性變形。

以上述研究成果為基礎，他們發表的20篇重要論文，他引768次，國際重要學術會議特邀報告19次，獲得國際權威期刊典型評述30余次，甚至早在2006年就獲得了上海市自然科學獎一等獎。而為了證實理論指導所復合制備出的金屬基復合材料能滿足國家航天領域的重大需求，此后，他們在進一步加強基礎研究的同時，也積極探索應用研究，設計制備出系列航天用非連續增強金屬基復合材料及構件，為“嫦娥三號”、月球車提供了200余件輕質高強多功能金屬基復合材料及構件，所研制的月球車行走機構用棘爪，為中國在月球上留下第一行足跡做出了應有的貢獻，有力地支撐了金屬基復合材料在我國航天領域的應用。正如CCTV所指出的，“篩網棘爪做輪子，越野避障樣樣行”?！敖饘倩鶑秃喜牧蠂抑攸c實驗室的研究團隊對鋁基復合材料開展了長期、系統和深入的基礎和應用基礎研究，已成為我國輕質高強鋁基復合材料主要研發和制造基地，為我國高科技發展和維護國家安全做出了重要貢獻?！眹铱萍疾繉τ谠摴ぷ鞲叨仍u價道。

如今，張荻團隊歷時20多年的成果獲得了2015年國家自然科學獎二等獎。站在新的起點上，他們將進一步深化金屬復合材料的研究，并在高性能、大型化研究中，為滿足我國航天和相關高科技領域的重大需求做出更大的貢獻。endprint