2200℃的科学之花——记国检集团研发世界首套超高温极端环境力学测试系统

2019-11-09 14:32:34 来源:中国建材报
  ■王艳萍
  中国工程院院士杜善义曾经说过,超高温试验是一个很复杂的技术问题,每一系统的建立难度都很大,但我国航空航天工业的发展需要建立超高温测试技术。
  “世界首套超高温力学评价测试分析系统”诞生
  结构陶瓷具有高强耐磨、抗腐蚀、耐高温等许多优异性能,因此被广泛应用于航空航天、机械、石油化工和建筑等高技术领域。
  众所周知,陶瓷的本征脆性“宁碎不屈”的特点,服役中的陶瓷及构件容易发生突发性的灾难事故,故又成为最不安全的材料。对结构陶瓷力学性能的了解和评价直接关系到构件的安全可靠性和对失效的预测性。陶瓷在应用过程中常常与金属或其他材料复合,界面性能就显得极为重要。例如美国“挑战者”号航天飞机爆炸的事故,其原因是陶瓷隔热瓦与母体界面脱粘后失去隔热能力,导致价值12亿美元的航天飞机被炸成碎片,7名机组人员全部遇难。类似案例非常多。结构陶瓷的产业化和实用化受到材料性能本身,以及在服役环境条件下人们对其性能认识不够等因素的制约。
  结构陶瓷力学性能研究是关系到民用、航空、国防军工的基础科学研究,陶瓷的力学性能评价主要服务于模拟核爆、光纤、火箭、航空军工及民生的地坪、墙体和幕墙等领域,力学性能的评价与人民财产安全息息相关。举个例子:我们要做一个家具,首先我们要知道做家具用的木材是否能够经受几年到十几年的潮湿环境腐蚀,我们怎么能知道呢?我们可以把木材放到潮湿的环境里试验,也可以询问有经验的木匠,显然这个有经验的木匠就是对木材基本性能比较了解的人。这就是对材料的基础性能研究,小到民用的木材、砖瓦,大到航空航天的火箭导弹材料,怎么能经受得住2000多摄氏度的超高温环境?木材耐不住潮湿环境,我们可以重新做,而航天航空中的损失却是无法估量的。
  如果能对结构陶瓷力学性能做出准确评价,不仅可以保证构件安全可靠,还能对其失效时间做出预测。经过长达10多年的研究,中国建材检验认证集团股份有限公司(以下简称国检集团)首席科学家包亦望教授和他的团队就是这样一群默默无闻的“木匠”,不断努力试验,反复采集整理数据,发明了一套评价材料在极端超高温氧化环境下的力学性能测试方法与评价技术,开发了国际上首台“材料超高温力学性能测试系统”,并获得863项目和首批国家重大科学仪器设备开发专项的支持,解决了一系列陶瓷材料的基础性能评价技术难题。
  该系统是国际上唯一针对陶瓷、复合材料的超高温力学性能测试仪器,温度最高可达2200℃,已经为多家合作单位进行了材料的超高温测试试验,解决了材料的超高温力学性能评价技术难题。以近地空间用超高声速飞行器为例,该系统不仅可为飞行器所用特种材料的服役安全和结构设计提供重要技术支撑,此外还有助于低成本选材。
  超高温氧化耦合极端环境下,航天、航空飞行器的外围材料,如发动机和喷火管等处材料的安全性性能评价和设计至关重要。现有试验机的夹具和压头材料本身难以承受1500℃以上的超高温极端环境,这样使得材料的力学性能试验样品无法测试。超高温极端环境力学测试系统是包亦望教授及其团队运用局部受热同步加载法,针对超高温环境材料测试技术与仪器的又一次完美结合,不仅解决了超高温氧化偶合极端环境下材料的安全性能评价,而且突破了材料检测的世界性技术难题,填补了国内外的空白。
  主导制定国际标准,让自主知识产权技术走向世界
  包亦望教授和团队不满足于仅仅是研究检测方法和申请专利,近年来他们一直致力于将技术转化为国家标准和国际标准,从而更好地发挥标准的规范、引领作用。大量性能检测方面标准的制定,对促进工程陶瓷和玻璃行业健康发展,无机非金属材料力学性能的学科发展,切实保障老百姓生命财产安全具有重要意义。
  而国际标准的形成过程是一个博弈过程,体现了技术、产业乃至国家的综合影响力和话语权,是市场的竞争源头,为此国际上对标准的竞争极为激烈。包亦望教授担任了ISO/TC206WG42组长(TC206历史上成立的第一个以中国为召集国的工作组),截至目前已经主持制修订ISO国际标准7项,包括我国建材领域中由自主知识产权转化而成的第一、二项国际标准ISO13124和ISO17905,其中超高温国际标准3项,极大地完善了脆性材料力学性能评价技术标准体系,填补了界面强度评价领域的世界空白。利用自主知识产权转化成的国际、国内及行业标准已用于1000多家陶瓷和军工企业相关产品的各项力学性能检测与分析,获得的经济效益显著。因为脆性陶瓷和玻璃材料在应用的过程中破坏和失效都是突发性和灾难性的,直接关系到机械、航空、国防工业(如导弹、卫星等重要器件的安全性)及民生安全,社会效益无法估量。制订的大量性能检测方面标准技术,在促进工程陶瓷和玻璃行业健康发展、无机非金属材料力学性能的学科发展、切实保障人民生命财产安全方面体现出非凡的重要意义。
  基础科学研究的水平直接反映了一个国家的科学实力和知识基础,对科技竞争力的提高有至关重要的影响。材料学科的发展离不开测试与评价技术的基础研究,包亦望教授率领的团队就是这样一群科学人,他们坚持认为,科研工作应敢于质疑,不应盲目迷信和崇拜前人的学术成果和传统理论。有怀疑才有求证,才有探索和发现,才有科学的进步,正是依靠这样的大胆假设、小心求证,才使得我国在无机非金属材料测试技术在某些领域处于世界领先水平。脆性材料的力学性能评价与表征技术取得重大成就和创新,在国内外有一定的影响力,被誉为是脆性材料安全应用保驾护航使者。其相关的成果技术已经在国检集团得到了认可,用于数百家陶瓷玻璃和军工企业相关产品的各项力学性能检测与分析,社会效益明显,经济效益逐步提高。
  在国家科技高速发展的宏观指导下,在中国建材总院注重“科技领先,服务建设”产学研一体化的大力支持下,包亦望的科研团队经过多年的刻苦研究,成功完成了“特殊条件下结构陶瓷力学性能检测与评价成套技术及应用”这一国家项目的研究和开发,并取得国家科技进步二等奖的殊荣。荣誉的背后,更是国家和人民对力学基础性研究所给予的最大肯定!

  结构陶瓷具有高强耐磨、抗腐蚀、耐高温等许多优异性能,尤其是在超高温氧化环境下,只有结构陶瓷材料可以胜任,因而广泛应用于航空航天、机械、石油化工和建筑等高技术领域。征服结构陶瓷材料就是征服航空航天领域,就是为我们国家未来航空航天工业争取更有利的发展机遇。我们的科学人和结构陶瓷技术的碰撞,让国人看到了中国基础科学研究在世界上的水平!

(责编:幸璐)