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杨凯:夯实材料基础,支撑中国制造

发布时间:2020-06-27 15:01人气:

随着航天、航空、信息等高技术和海洋开发、先进制造技术等工业的迅猛发展,我国迫切需要解决极端条件下如高承载、高速度、高真空、超低温、强辐射及各种外场力作用下的摩擦学问题。工况条件苛刻,常规材料已经远远满足不了在极端苛刻工况条件下运行的摩擦学系统的使用要求。以耐磨涂层材料为代表的特种防护材料应运而生,使在高温、高真空、高负载、高速等极端苛刻工况条件下的摩擦学设计成为可能。

 

为了助力“中国制造2025”伟大目标的实现,也为了在材料科学领域贡献自己的一份科研力量,中国科学院上海硅酸盐研究所/中国科学院特种无机涂层重点实验室研究员杨凯将科研理想建立在苛刻工况条件下涂层或薄膜材料摩擦、磨损与润滑应用基础研究及其工程化应用中。虽然年纪尚轻,但自博士毕业以来,他就以项目负责人身份主持国家自然科学基金面上/青年项目、上海市自然科学基金面上项目、科工局配套科研项目、各类企业技术开发项目等近20项,研究成果已经成功获得多项国家航天和航空重点型号工程应用。

筑梦材料,求学勇于探新知

20世纪70年代以来,人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。80年代又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。随着科学技术的高速发展,新技术、新产品及新工艺对新材料的要求越来越强烈,也促进了当代材料科学技术的飞速发展。“材料科学将物理、化学等多类学科融合到其中,并且最终面向的是一些产品基建,与工程结合得比较紧密。”中学时期,杨凯对材料科学产生了好奇与向往。

功夫不负有心人,杨凯以优异的成绩考入郑州大学材料科学与工程系,正式开始了在材料科学领域中的筑梦之旅。在此之后,他又相继考入东南大学材料科学与工程系、上海交通大学材料科学与工程学院攻读硕士以及博士学位,并获得上海市普通高等学校优秀毕业生荣誉称号。

2010—2012年,杨凯来到了中国科学院上海硅酸盐研究所,在丁传贤院士创立的等离子体喷涂课题组从事博士后研究,基于之前在硕士以及博士攻读期间培养获得的科研素养,杨凯顺利获得了中国博士后科学基金面上项目一等资助,而这也是时隔7年,中国科学院上海硅酸盐研究所的博士后再次获得这一项目的一等资助。从事博士后研究期间,杨凯将研究重心放在等离子体喷涂Al2O3-Cr2O3耐磨复合涂层设计、制备及性能研究上,并取得了一系列创新性成果。在热喷涂涂层领域权威核心期刊Surface and Coatings Technology,Journal of Thermal Spray Technology上发表多篇SCI论文,申请并授权发明专利多项。凭借优秀的科研成绩,杨凯还获得了中国科学院王宽诚博士后工作奖和中国科学院上海硅酸盐研究所优秀博士后荣誉称号。

荣誉的背后是对杨凯科研成果的肯定,并无形中给予了他更大的科研自信,为他今后更加坚定地投入科学研究打下了坚实的基础。

探索开拓,成果助力航空航天

科学研究,贵在坚持。特别是在中国制造2025的背景下,杨凯更深切地感受到了身为一名材料科学领域科研人的使命与担当,而这份责任感也在促使着他不断深入科研创新之中并从未懈怠。自2012年5月博士后出站至今,他一直在中国科学院上海硅酸盐研究所从事研究工作,特别是在高速、高载耐磨涂层,高温耐磨涂层,海洋环境耐磨抗蚀涂层等研究方向中展开了一系列创新性探索。

航空航天是我国的关键技术领域,在深空探测等方向承担着重要的职责。随着我国航空航天技术的不断发展,其中所涉及的工况条件也越来越苛刻,从而对材料本身的性能考核评价要求也越来越严苛。

在2012年杨凯从事博士后工作期间,他就在一次实验研究中偶然发现了在氧化铝涂层微裂纹内部有一些纳米晶的填充。在这一基础上,他决心展开深入探索,并在研究中首次发现并阐明Al2O3涂层中的原位纳米晶填充涂层微裂纹的“自修复”机制和部分共格界面强韧化机制,提出应力诱导相变原位调控α-Al2O3纳米晶含量进行自增韧涂层的新方法,同步优化涂层的导热、力学与耐磨性能。研究成果发表在美国金属学会ASM主办的国际热喷涂领域唯一的SCI期刊Journal of Thermal Spray Technology上,被评为2016年度20篇优秀论文之一(中国仅2篇文章入选)。应力诱导相变自增韧Al2O3涂层成功应用于120吨级液氧/煤油火箭发动机涡轮泵动密封和直升机旋翼系统高速关节轴承。

为抑制Al2O3涂层的导温系数呈负温度系数特征,尤其在500℃以上涂层导热呈衰减趋势,基于异质形核和部分固溶,杨凯还设计并制备了Al2O3-Cr2O3复合涂层,强化相界面并细化晶粒,改善涂层层间界面结合,获得热导率初值高且400℃后呈现正温度系数特征复合涂层,实现了涂层导热、强韧与耐磨的同步优化,研究成果在高压补燃液氧/煤油火箭发动机氧泵密封动环中获得成功应用。

应力诱导相变原位纳米晶自增韧Al2O3涂层和导热呈正温度系数特征的Al2O3-Cr2O3复合涂层,是杨凯作为第一作者/第一发明人的研究成果,并分别作为两个主要发明点获得2018年度上海市技术发明奖一等奖(第二完成人,2/8)。

科学研究的最终目的之一就是将研究成果付诸应用。油门操纵台是飞行员操控飞机飞行的关键装备,为了优化其关键性能,杨凯团队设计并制备出新型单相置换固溶体涂层,成果应用于飞机油门台摩擦阻尼器核心齿轮组件,显著改善了摩擦阻尼力矩输出稳定性,大幅提高了油门台操纵力的控制精度,确保了飞行员操控的平顺性、舒适性、机动性、安全性。

为解决长时高温蠕变会降低涂层强化效果的问题,需引入良好抗高温蠕变性能组元,消除或减少晶界形成非晶相或共晶相自锁结构以抑制晶界滑移与空位扩散。

杨凯创新性地提出利用深共晶凝固机制,等离子体喷涂原位沉积新型Al2O3基非晶/共晶陶瓷涂层,其具有更高的玻璃化转变温度、晶化初始温度、晶化激活能及形核阻力,即具有优异的高温微结构稳定性。此外,该涂层兼具良好的塑韧性、热导率、止裂特性和耐蚀性,展示出更高PV值苛刻磨损工况下优越的耐磨抗蚀性能,除了航空航天领域,海洋领域也有较大的应用前景。

坚定信念,从材料基础出发

科学研究的信念是贯穿在科研人的人生之中的。在杨凯所在的中国科学院上海硅酸盐研究所,许多老一辈科学家在耄耋之年仍坚守在科研岗位上,攻关不辍,这个科研氛围也无时无刻不在感染着杨凯,并坚定了其将科研作为一辈子事业的理想。“虽然科研工作本身是一件比较苦的事情,但它内在却充满了无穷的趣味性,我们可以从研究中发现科研规律并将研究成果付诸应用,通过科研工作,我的自我人生价值也得到了实现。”杨凯说。

薪火相传,生生不息。沿袭着中国科学院上海硅酸盐研究所一直以来的科研传统,杨凯也希望能将自己的所学及所得传授给下一代科研学子。在学生的培养上, 他十分注重提高学生的科研积极性以及对学生科研思想、科研素质的培养,在他看来这些都是将来学生走上科研岗位的基石,也是他们进行科研开拓的前提条件。

随着我国科研创新水平的提高,材料科学也在以飞速发展的姿态追逐着发达国家的脚步,但是目前仍存在着较大差距,许多材料仍依赖于进口。在杨凯看来,存在这一差距的原因,很大程度上在于我们从基础材料研究层面就有很多遗留问题没有解决。“我认为传统材料有其不可替代的地方,如果能将其做好的话,它们的贡献程度在某种程度上比新材料要大得多。”而一直以来,杨凯一直遵循着这一研究初衷,自2010年开始,他就围绕着氧化铝及氧化铝基复合涂层开发及拓展相关涂层体系,然后慢慢推向应用。未来,他还将以夯实最基本的材料研究作为自己的研究重点,不断开拓下去。

在科学研究中,有太多的未知需要探索。坦然面对失败,脚踏实地前行,一步一个脚印,用积极乐观、攻坚克难的态度投入自己热爱的科研工作当中,是杨凯的人生准则。未来,他还将以他的材料梦作为人生的坐标,不断地去追梦,在材料科学研究的长河之中,实现自己的理想与抱负。

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