“把脈”極端環(huán)境下的材料性能

2000℃的環(huán)境下，鐵已熔成液體，有人想到變通辦法，在鐵表面鍍一層“膜”——可以勝任高達(dá)2000℃以上超高溫氧化環(huán)境的陶瓷材料。但問題接踵而至，現(xiàn)有試驗機的夾具和壓頭材料本身難以承受1500℃以上的超高溫氧化極端環(huán)境，如何評價材料的可靠性?這個問題曾經(jīng)難倒了我國科研人員，也包括國際同行。

如今，問號已經(jīng)拉直。

1月9日，在2014年度國家科技獎勵大會上，中國建筑材料科學(xué)研究總院博導(dǎo)、中國建材檢驗認(rèn)證集團（CTC）首席科學(xué)家包亦望教授和他的團隊?wèi){借“結(jié)構(gòu)陶瓷典型應(yīng)用條件下力學(xué)性能測試與評價關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”捧得國家科技進(jìn)步二等獎。

缺失的極端環(huán)境下材料評價方法

2003年，包亦望還在中科院金屬所做“百人計劃”研究，所里一位研究人員找到他，尋問有沒有陶瓷復(fù)合構(gòu)件界面強度的評價方法。這個問題來源于工程實踐。

之所以找到包亦望，不僅因為他是有名的“點子王”，更重要的是，解決這個世界性難題已經(jīng)越來越迫切。

結(jié)構(gòu)陶瓷具有高強耐磨、抗腐蝕、耐高溫等許多優(yōu)異性能，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、石油化工和建筑等高技術(shù)領(lǐng)域。

但陶瓷本身是脆性的，具有“寧碎不屈”的特點，服役中的陶瓷及構(gòu)件容易發(fā)生突發(fā)性災(zāi)難事故，故又成為最不安全的材料。

時隔近30年，1986年的“挑戰(zhàn)者”號航天飛機災(zāi)難仍被多次提及，剛起飛73秒，航天飛機發(fā)生解體，機上7名機組人員喪命。這次災(zāi)難性事故導(dǎo)致美國航天飛機飛行計劃被凍結(jié)了長達(dá)32個月之久。最終調(diào)查發(fā)現(xiàn)，原因之一是陶瓷隔熱瓦與母體界面脫粘后失去隔熱能力，導(dǎo)致價值12億美元的航天飛機被炸成碎片。

如果能對結(jié)構(gòu)陶瓷力學(xué)性能做出準(zhǔn)確評價，不僅可以保證構(gòu)件安全可靠，還能對其失效時間做出預(yù)測。

但由于涂層與基體間難以剝離作為單質(zhì)材料進(jìn)行測試，如何評價材料的可靠性是一項國際難題。

包亦望告訴記者，具體來說，難題體現(xiàn)在四個方面：界面問題：陶瓷復(fù)合構(gòu)件界面強度和不同環(huán)境下的服役安全評價異型件：管狀或環(huán)形陶瓷構(gòu)件的力學(xué)性能無法參照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和檢測技術(shù)陶瓷涂層：熱障涂層、耐磨涂層的模量或強度無法直接測試極端環(huán)境：超高溫氧化環(huán)境下陶瓷性能評價無技術(shù)，無標(biāo)準(zhǔn)，無測試設(shè)備構(gòu)件性能預(yù)測：通過表面痕跡和接觸響應(yīng)非破壞性的監(jiān)測和預(yù)測構(gòu)件可靠性。

“因為評價標(biāo)準(zhǔn)缺失，目前大多采用‘犧牲層’的辦法?！盋TC研究中心副主任萬德田解釋，所謂“犧牲層”，是指本來只要10毫米的涂層，被加厚到了15—20毫米，這樣雖然安全系數(shù)提高了，代價是飛行器重量也提高了，成本隨之增加。

隨著航天、航空、航海、化工、冶金等工業(yè)的快速發(fā)展，準(zhǔn)確評價涂層材料力學(xué)性能顯得越來越緊迫和重要。

中國工程院院士杜善義曾經(jīng)說過，超高溫試驗是一個很復(fù)雜的技術(shù)問題，每一系統(tǒng)的建立難度都很大，但我國航空航天工業(yè)的發(fā)展需要建立超高溫測試技術(shù)。

“雕蟲小技”解決大難題

“方法非常簡單，在外行看來可能就是雕蟲小技?！钡嗤f，這其中最難的是首先要想到捅破那一層窗戶紙的方法，而這得建立在大量分析計算基礎(chǔ)上。

隨手翻開一本筆記本，除了看似簡單的圖示，就是密密麻麻的計算式。

“有時候為了一個小公式，花幾個月推導(dǎo)都是正常的。”經(jīng)過長達(dá)十多年的研究，包亦望和團隊不斷試驗，反復(fù)采集整理數(shù)據(jù)，發(fā)明了一系列評價新技術(shù)。

陶瓷材料難以直接進(jìn)行拉伸載荷試驗，如何測得界面拉伸強度和界面剪切強度?傳統(tǒng)的測試方法將試驗樣品疊加或者拼接，然后在疊加處或拼接處施力，但都無法獲得界面拉伸強度。

“十字交叉法”提出，將兩根矩形截面短棒以十字交叉方式粘接成測試樣品，設(shè)計專用帶槽夾具和圓弧形壓頭，分別測得界面拉伸強度和界面剪切強度。

這項技術(shù)適用任何固相材料之間的界面強度和疲勞性能評價，并可推廣到各種高強粘接劑的強度和耐久性評價，此方法一經(jīng)推廣，受到國內(nèi)外無機材料檢測領(lǐng)域?qū)＜业馁澷p。

但新課題又來了。

不是所有產(chǎn)品的樣品都能加工成常規(guī)的矩形截面，而這類產(chǎn)品的應(yīng)用范圍又很廣，如模擬核爆用石英玻璃管，光纖套管，火箭或?qū)椀奈矅姽?，石油化工用防腐?nèi)壁管等。

“缺口環(huán)法”能簡單、方便、快捷的評價管狀和環(huán)狀脆性材料的基礎(chǔ)力學(xué)性能。

“無需特殊的夾具，節(jié)省了大量的試驗經(jīng)費和時間。”包亦望說。

“相對法”則是通過已知或容易測量的材料參數(shù)去計算出無法直接測量的未知參數(shù)。

“這就好比即使沒有秤砣，只要知道一公斤白糖在桿秤的什么位置，就能稱出同樣質(zhì)量的其他物質(zhì)?！卑嗤f，這解決了陶瓷涂層的基礎(chǔ)力學(xué)評價問題。此前涂層材料力學(xué)性能測試基本上空白，世界各國都在尋求測試技術(shù)。

試驗證明該方法簡單、準(zhǔn)確、可靠達(dá)到事半功倍的效果，解決了熱障涂層、防腐涂層和耐磨涂層等力學(xué)性能測試的空白。

“局部受熱同步加載法”解決了超高溫氧化環(huán)境下測試的國際難題。

“痕跡法”則有點類似于“中醫(yī)號脈”，通過分析試驗后樣品殘余壓痕痕跡的形貌和尺寸，推測出幾乎全部的材料力學(xué)性能。該方法受到國內(nèi)外專家的高度贊賞，國際評審專家認(rèn)為“這項工作確實是對納米壓痕技術(shù)的一個新貢獻(xiàn)”，并在國際綜述文獻(xiàn)里被稱為“BWZmethod”（其中B指包亦望）。

主導(dǎo)制定國際標(biāo)準(zhǔn)提高話語權(quán)

建立方法、發(fā)明技術(shù)，包亦望和團隊不滿足于此，近年來一直致力于將技術(shù)轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。

“國際標(biāo)準(zhǔn)的形成過程是一個博弈過程，體現(xiàn)了技術(shù)、產(chǎn)業(yè)乃至國家的綜合影響力和話語權(quán)，是市場的競爭源頭，為此國際上對標(biāo)準(zhǔn)的競爭極為激烈?！卑嗤∠笊羁痰氖菍ⅰ跋鄬Ψā毙纬蓢H標(biāo)準(zhǔn)中的波折。

2007年，包亦望將發(fā)明的“相對法”在國際刊物發(fā)表，受到國際同行的高度認(rèn)可，實驗證明該方法簡單、準(zhǔn)確、可靠。此前雖然國內(nèi)外有用納米壓痕技術(shù)來評價陶瓷涂層的彈性模量，但反映的僅僅是局部甚至某晶粒的性能，只對理想均勻致密材料有效，而且設(shè)備昂貴，尚不能測量涂層的強度。

2013年，ISO組織向全世界征求陶瓷涂層測試技術(shù)時，“相對法”評價技術(shù)與日本提出的類似國際標(biāo)準(zhǔn)草案形成競爭，最后交由ISO顧問Peter（皮特）先生仲裁，由于相對法具有原創(chuàng)性，適用范圍更廣泛，最后被成功立項。

利用自主知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)化成的國際、國內(nèi)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已被用于1000多家陶瓷企業(yè)和軍工企業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品各項力學(xué)性能檢測與分析，經(jīng)濟效益數(shù)億元。

包亦望認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)的社會效益意義更重大。大量性能檢測方面的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的制定，對于促進(jìn)工程陶瓷和玻璃行業(yè)健康發(fā)展、無機非金屬材料力學(xué)性能的學(xué)科發(fā)展、切實保障老百姓生命財產(chǎn)安全方面具有重要意義。

2007年，包亦望向ISO組織提交的以“十字交叉法”技術(shù)為基礎(chǔ)的國際標(biāo)準(zhǔn)獲得一致通過，在此前的陳述環(huán)節(jié)中，他提出的創(chuàng)新性、實用性受到高度關(guān)注，與會的六七個國家代表找到包亦望，反映該標(biāo)準(zhǔn)簡潔明了，并找他要PPT，提出在自己的國家先用。

不將技術(shù)裝在口袋里

讓科技成果落地開花，而不是將技術(shù)裝在口袋里。

有別于大多數(shù)科研工作者，包亦望不僅建立了很多創(chuàng)新的理論，還能將抽象的理論轉(zhuǎn)化為可操作的方法與技術(shù)，并通過儀器設(shè)備這種載體來實現(xiàn)，反過來，自主研發(fā)的科學(xué)儀器設(shè)備又成為產(chǎn)生新觀點的重要工具。

在中國建筑材料科學(xué)研究總院的實驗室里，龐大的超高溫極端環(huán)境力學(xué)測試系統(tǒng)塞滿了約40平米的屋子。

“該系統(tǒng)是國際上唯一針對陶瓷、復(fù)合材料的超高溫力學(xué)性能測試儀器，溫度最高可達(dá)2200℃，已經(jīng)為多家合作單位進(jìn)行了材料的超高溫測試試驗，解決了材料的超高溫力學(xué)性能評價技術(shù)難題。”萬德田言語間透出自豪，他告訴記者，以近地空間用超高聲速飛行器為例，該系統(tǒng)可為飛行器所用特種材料的服役安全和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要技術(shù)支撐，此外還有助于低成本選材。

超高溫氧化耦合極端環(huán)境下，航天、航空飛行器的外圍材料，如發(fā)動機和噴火管等處材料的安全性性能評價和設(shè)計至關(guān)重要?，F(xiàn)有試驗機的夾具和壓頭材料本身難以承受1500℃以上的超高溫極端環(huán)境，這樣使得材料的力學(xué)性能試驗樣品無法測試。該系統(tǒng)就是包亦望和團隊運用“局部受熱同步加載法”生產(chǎn)出來的。

包亦望教授率領(lǐng)他的團隊不斷攻克難題，從理論到技術(shù)、從實驗到裝置，發(fā)明了一套評價材料在極端超高溫氧化環(huán)境下的力學(xué)性能測試方法與評價技術(shù)，開發(fā)了國際上首臺“材料超高溫力學(xué)性能測試系統(tǒng)”，并獲得863計劃和首批國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項的支持。

這些年，包亦望和團隊將取得的理論成果和新方法、新技術(shù)轉(zhuǎn)化為一系列有特色的儀器設(shè)備，包括常溫和高溫固體材料彈性模量測試儀、安全玻璃沖擊失效檢測儀、多功能零能耗鋼化玻璃檢測器、鋼化玻璃表面平整度測試儀、鋼化玻璃缺陷和自爆風(fēng)險檢測儀、硬脆材料性能檢測儀、幕墻松動脫落風(fēng)險測試儀等，這些儀器設(shè)備有的已經(jīng)進(jìn)入國內(nèi)多所高校和科研機構(gòu)的實驗室，成為科研工作者探索科學(xué)的有力工具。