解讀凝固的秘密

劉靜靜

編者按：

對于一個國家而言，科技是軟實力。國家重點實驗室是一個行業科研水平最高標準的體現，也是一個國家科研水平最高標準的體現。我國重點實驗室在科學前沿探索和解決國家重大需求方面發揮了非常重要的作用，從本期開始，我們會對部分重點實驗室進行介紹，讓讀者走近科學大師，感觸科技前沿，提高科學文化素質。

你有沒有想過，我們周圍的環境是如何由微小的粒子組合而成的？就像地球的奧秘深藏在地下，材料的神奇力量也隱藏在其微觀結構之中。假如有一天出現了比鋼鐵更堅固，同時又輕如羽毛的材料，世界會不會因此而改變呢？

的確，一切都將成為可能。

凝固與材料學是材料科學與工程領域中的一個重要分支。在人們的認知中，凝固就是液體變成固體的過程，就像水凍結成冰，沒有人會過多地在意。但在科研過程中，凝固現象卻大有可為，它不僅是一個簡單的物理變化，還是一門深奧的科學，涉及材料的性質、結構和功能。比如金屬鑄造、3D打印、焊接、晶體生長等工業制造和生產過程中普遍發生的現象都屬于凝固過程。科學家通過控制凝固過程，能創造出比鋼鐵還堅硬的材料，而這些新型材料將被用于制造飛機、汽車，甚至宇宙飛船。在這其中，優化材料微觀結構正是提升材料性能的關鍵。

在我國，對凝固材料技術的研究可以追溯到20世紀50年代末期。1957年，周堯和被分配到西北工業大學，領導組建鑄造專業。靠著滿腔熱忱，他和同事經過5年努力，在西北工業大學建起當時國內最先進的鑄造實驗室，西北工業大學鑄造專業也因此成為該領域的佼佼者。

20世紀80年代，周堯和主持了國家重點攻關項目“大型鑄件凝固組織控制”，采用計算機模擬和物理模擬相結合的方法，在優化澆注系統和外冷鐵設計方面取得重要進展。他的宏觀偏析形成機理與控制研究被鑒定委員會認定是國際先進水平，成功解決了葛洲壩大型水輪機葉片鑄造成形及30萬千瓦發電機組高壓外缸鑄件的凝固質量問題，克服了因補焊而產生的葉片氣蝕現象，葉片壽命由此提高20%。該成果獲得1986年遼寧省科技進步一等獎。

周堯和長期致力于金屬凝固理論和鑄造工藝技術研究，提出了估算保溫冒口效率的新方法，他研制的新型保溫材料不僅震撼了國際學界，還迅速在全國推廣應用，產生了巨大的經濟和社會效益。

1991年，周堯和獲中國機械工程學會授予的科技成就獎，成為該學會成立55年來有重大貢獻的10位科學家之一。同年，他又獲得航空金獎，成為獲此殊榮的10位專家之一。

1995年10月，在西北工業大學原鑄造專業國家重點學科的基礎上，凝固技術國家重點實驗室正式通過國家驗收并對外開放，是材料科學與工程國家A類一級重點學科支撐的國家重點實驗室。該實驗室的科研方向有三個：現代凝固理論、材料精確成形、航空航天先進材料。在實驗室，科研人員不斷探索著材料從液態到固態的奇妙轉變，更是實現了凝固技術從基礎研究到實際應用的飛躍。

成立數十年來，凝固技術國家重點實驗室的每一次實驗都可能帶來突破。如自主開發耐熱溫度在1 000℃以上的鈦鋁基金屬間化合物、軟接觸電磁成形定向凝固發動機葉片的制備技術，它們使我國的航空航天發動機材料和成形技術水平躍上一個新的臺階。

凝固技術國家重點實驗室不僅在科學研究上取得豐碩成果，還積極推動國際合作與交流。該實驗室設立了開放課題，鼓勵全球的科學家參與凝固技術的研究。這種開放的態度讓實驗室成為全球凝固技術研究的中心。

2021年，凝固技術國家重點實驗室又重點支持現代凝固理論、材料精確成形和先進材料設計制備等領域的研究。這些項目不僅關注凝固科學前沿問題，還涵蓋了晶體生長的物理現象及其微觀機制，以及工業與科學技術領域的凝固問題和研究方法。

凝固技術的進步，不僅推動了材料科學的發展，還給大眾的日常生活帶來了許多實際的好處，從提高安全性、增加舒適性到促進環境保護，凝固技術的影響無處不在。

隨著科技的不斷進步，科學家正一步步揭開材料的奧秘，凝固技術將繼續為人類的生活帶來更多的驚喜和便利。