夯實材料基礎 支撐中國制造
——記中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員楊凱

李 剛

楊凱

隨著航天、航空、信息等高技術和海洋開發、先進制造技術等工業的迅猛發展，我國迫切需要解決極端條件下如高承載、高速度、高真空、超低溫、強輻射及各種外場力作用下的摩擦學問題。工況條件苛刻，常規材料已經遠遠滿足不了在極端苛刻工況條件下運行的摩擦學系統的使用要求。以耐磨涂層材料為代表的特種防護材料應運而生，使在高溫、高真空、高負載、高速等極端苛刻工況條件下的摩擦學設計成為可能。

為了助力“中國制造2025”偉大目標的實現，也為了在材料科學領域貢獻自己的一份科研力量，中國科學院上海硅酸鹽研究所/中國科學院特種無機涂層重點實驗室研究員楊凱將科研理想建立在苛刻工況條件下涂層或薄膜材料摩擦、磨損與潤滑應用基礎研究及其工程化應用中。雖然年紀尚輕，但自博士畢業以來，他就以項目負責人身份主持國家自然科學基金面上/青年項目、上海市自然科學基金面上項目、科工局配套科研項目、各類企業技術開發項目等近20項，研究成果已經成功獲得多項國家航天和航空重點型號工程應用。

筑夢材料，求學勇于探新知

20世紀70年代以來，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代又把新材料、信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志。隨著科學技術的高速發展，新技術、新產品及新工藝對新材料的要求越來越強烈，也促進了當代材料科學技術的飛速發展。“材料科學將物理、化學等多類學科融合到其中，并且最終面向的是一些產品基建，與工程結合得比較緊密。”中學時期，楊凱對材料科學產生了好奇與向往。

功夫不負有心人，楊凱以優異的成績考入鄭州大學材料科學與工程系，正式開始了在材料科學領域中的筑夢之旅。在此之后，他又相繼考入東南大學材料科學與工程系、上海交通大學材料科學與工程學院攻讀碩士以及博士學位，并獲得上海市普通高等學校優秀畢業生榮譽稱號。

2010—2012年，楊凱來到了中國科學院上海硅酸鹽研究所，在丁傳賢院士創立的等離子體噴涂課題組從事博士后研究，基于之前在碩士以及博士攻讀期間培養獲得的科研素養，楊凱順利獲得了中國博士后科學基金面上項目一等資助，而這也是時隔7年，中國科學院上海硅酸鹽研究所的博士后再次獲得這一項目的一等資助。從事博士后研究期間，楊凱將研究重心放在等離子體噴涂Al2O3-Cr2O3耐磨復合涂層設計、制備及性能研究上，并取得了一系列創新性成果。在熱噴涂涂層領域權威核心期刊Surface and Coatings Technology，Journal of Thermal Spray Technology上發表多篇SCI論文，申請并授權發明專利多項。憑借優秀的科研成績，楊凱還獲得了中國科學院王寬誠博士后工作獎和中國科學院上海硅酸鹽研究所優秀博士后榮譽稱號。

榮譽的背后是對楊凱科研成果的肯定，并無形中給予了他更大的科研自信，為他今后更加堅定地投入科學研究打下了堅實的基礎。

探索開拓，成果助力航空航天

科學研究，貴在堅持。特別是在中國制造2025的背景下，楊凱更深切地感受到了身為一名材料科學領域科研人的使命與擔當，而這份責任感也在促使著他不斷深入科研創新之中并從未懈怠。自2012年5月博士后出站至今，他一直在中國科學院上海硅酸鹽研究所從事研究工作，特別是在高速、高載耐磨涂層，高溫耐磨涂層，海洋環境耐磨抗蝕涂層等研究方向中展開了一系列創新性探索。

航空航天是我國的關鍵技術領域，在深空探測等方向承擔著重要的職責。隨著我國航空航天技術的不斷發展，其中所涉及的工況條件也越來越苛刻，從而對材料本身的性能考核評價要求也越來越嚴苛。

在2012年楊凱從事博士后工作期間，他就在一次實驗研究中偶然發現了在氧化鋁涂層微裂紋內部有一些納米晶的填充。在這一基礎上，他決心展開深入探索，并在研究中首次發現并闡明Al2O3涂層中的原位納米晶填充涂層微裂紋的“自修復”機制和部分共格界面強韌化機制，提出應力誘導相變原位調控α-Al2O3納米晶含量進行自增韌涂層的新方法，同步優化涂層的導熱、力學與耐磨性能。研究成果發表在美國金屬學會ASM主辦的國際熱噴涂領域唯一的SCI期刊Journal of Thermal Spray Technology上，被評為2016年度20篇優秀論文之一（中國僅2篇文章入選）。應力誘導相變自增韌Al2O3涂層成功應用于120噸級液氧/煤油火箭發動機渦輪泵動密封和直升機旋翼系統高速關節軸承。

為抑制Al2O3涂層的導溫系數呈負溫度系數特征，尤其在500℃以上涂層導熱呈衰減趨勢，基于異質形核和部分固溶，楊凱還設計并制備了Al2O3-Cr2O3復合涂層，強化相界面并細化晶粒，改善涂層層間界面結合，獲得熱導率初值高且400℃后呈現正溫度系數特征復合涂層，實現了涂層導熱、強韌與耐磨的同步優化，研究成果在高壓補燃液氧/煤油火箭發動機氧泵密封動環中獲得成功應用。

應力誘導相變原位納米晶自增韌Al2O3涂層和導熱呈正溫度系數特征的Al2O3-Cr2O3復合涂層，是楊凱作為第一作者/第一發明人的研究成果，并分別作為兩個主要發明點獲得2018年度上海市技術發明獎一等獎（第二完成人，2/8）。

科學研究的最終目的之一就是將研究成果付諸應用。油門操縱臺是飛行員操控飛機飛行的關鍵裝備，為了優化其關鍵性能，楊凱團隊設計并制備出新型單相置換固溶體涂層，成果應用于飛機油門臺摩擦阻尼器核心齒輪組件，顯著改善了摩擦阻尼力矩輸出穩定性，大幅提高了油門臺操縱力的控制精度，確保了飛行員操控的平順性、舒適性、機動性、安全性。

為解決長時高溫蠕變會降低涂層強化效果的問題，需引入良好抗高溫蠕變性能組元，消除或減少晶界形成非晶相或共晶相自鎖結構以抑制晶界滑移與空位擴散。

楊凱創新性的提出利用深共晶凝固機制，等離子體噴涂原位沉積新型Al2O3基非晶/共晶陶瓷涂層，其具有更高的玻璃化轉變溫度、晶化初始溫度、晶化激活能及形核阻力，即具有優異的高溫微結構穩定性。此外，該涂層兼具良好的塑韌性、熱導率、止裂特性和耐蝕性，展示出更高PV值苛刻磨損工況下優越的耐磨抗蝕性能，除了航空航天領域，海洋領域也有較大的應用前景。

堅定信念，從材料基礎出發

科學研究的信念是貫穿在科研人的人生之中的。在楊凱所在的中國科學院上海硅酸鹽研究所，許多老一輩科學家在耄耋之年仍堅守在科研崗位上，攻關不輟，這個科研氛圍也無時無刻不在感染著楊凱，并堅定了其將科研作為一輩子事業的理想。“雖然科研工作本身是一件比較苦的事情，但它內在卻充滿了無窮的趣味性，我們可以從研究中發現科研規律并將研究成果付諸應用，通過科研工作，我的自我人生價值也得到了實現。”楊凱說。

薪火相傳，生生不息。沿襲著中國科學院上海硅酸鹽研究所一直以來的科研傳統，楊凱也希望能將自己的所學及所得傳授給下一代科研學子。在學生的培養上，他十分注重提高學生的科研積極性以及對學生科研思想、科研素質的培養，在他看來這些都是將來學生走上科研崗位的基石，也是他們進行科研開拓的前提條件。

榮獲2018年度上海市技術發明獎一等獎

隨著我國科研創新水平的提高，材料科學也在以飛速發展的姿態追逐著發達國家的腳步，但是目前仍存在著較大差距，許多材料仍依賴于進口。在楊凱看來，存在這一差距的原因，很大程度上在于我們從基礎材料研究層面就有很多遺留問題沒有解決。“我認為傳統材料有其不可替代的地方，如果能將其做好的話，它們的貢獻程度在某種程度上比新材料要大得多。”而一直以來，楊凱一直遵循著這一研究初衷，自2010年開始，他就圍繞著氧化鋁及氧化鋁基復合涂層開發及拓展相關涂層體系，然后慢慢推向應用。未來，他還將以夯實最基本的材料研究作為自己的研究重點，不斷開拓下去。

在科學研究中，有太多的未知需要探索。坦然面對失敗，腳踏實地前行，一步一個腳印，用積極樂觀、攻堅克難的態度投入自己熱愛的科研工作當中，是楊凱的人生準則。未來，他還將以他的材料夢作為人生的坐標，不斷地去追夢，在材料科學研究的長河之中，實現自己的理想與抱負。