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“范纳米”和她的高端新材料

来源:湖南日报 点击次数:次 发布时间:2018年05月11日 作者:曹娴

 

                          范景莲在厂房工作。(资料照片)   通讯员 摄

 

    2017年4月8日,范景莲(前排左一)陪同王兴治院士、黄伯云院士参观长沙微纳坤宸新材料有限公司。

                             (资料照片)  通讯员 摄

4月24日,由中国工程院和美国女工程师学会联合举办的第一届中美未来工程与全球女性领导力研究会在长沙举行。凭借在难熔金属材料领域的创新成果,中南大学粉末冶金研究院难熔金属与硬质合金研究所所长范景莲受邀参会并发言。

    20多年来,范景莲不断攻克世界级技术难关,研发出微纳复合轻质难熔金属基复合材料、高性能钨基复合材料,并成功实现产业化,材料产品应用于我国航空航天、飞行器等重点领域。

    5月3日,记者来到宁乡高新区的长沙微纳坤宸新材料有限公司,这里正是范景莲团队难熔金属材料产业化的生产基地。公司展览室摆放着大小不一的10多种材料产品。有的小如一节指环,记者用手掂量,分量不轻,是战略导弹的重要调节部件;有的则形如盾状,用力仅能轻微撼动,用在新型飞行器耐高温部分。

      “做出一个在资料上查不到的东西”

    敢啃“硬骨头”,率先提出“纳米复合”钨合金概念

    上课、带学生,还要搞科研、跑市场,范景莲的脸上略带倦容。顶着感冒了的沙哑嗓子,51岁的范景莲向记者讲述了她的故事。

    早在20多年前,范景莲就心甘情愿地选择了这条不好走的路。

    1996年,范景莲开始在中南大学攻读材料学博士,师从粉末冶金专家黄伯云院士。

    在博士选题时,导师抛给她一块难啃的“硬骨头”——难熔金属钨合金的研究。

    之所以是“硬骨头”,一是我国从20世纪50年代末开始钨基合金研究,早已实现批量生产,并经过反复开发,实在不算一个“新”领域,似乎难有“新”成绩;二是当时钨基复合材料已经难以满足尖端技术领域的发展需要,选择这一课题,就必须真正做出开拓性创新。

    但导师的两句话打动范景莲。一句是“做出一个在资料上查不到的东西”,一句是“你不仅要当这个领域中国的学术带头人,更要当全球的学术带头人”。

    一段亲身经历也让她坚定了这个选择。1993年至1996年,范景莲在硕士研究生毕业后进入广州一家合成金刚石生产企业。她逐渐发现,很多企业缺乏创新,生产的都是差不多的产品。

    于是,已经当上厂长的范景莲,毅然选择将自己“回炉再造”。

    在做了大量基础研究之后,1998年,范景莲大胆提出“纳米复合”概念,即用纳米技术细晶化钨合金,这在国内外都是首创。

    在此之前,粉末冶金制备就像“炒菜”,由大颗粒的金属粉末元素混合制备成合金。

    让金属元素实现原子、分子级的原位复合,当时无异于“天方夜谭”。

    “一开始阻力非常大,因为这是在挑战传统方法,有人叫我‘范纳米’‘纳米范’。”范景莲决心用研究成果说话。

    一次次失败又重来,最终找到了突破口,粉末超饱和固溶使W-Ni-Fe粉末产生低温熔融特性转变,在1350至1450摄氏度烧结时,可达到99%以上的致密度。

    钨和铜熔点相差大,被称为两相结构假合金。通过纳米复合,改变相互特性,让原本互不相熔的两种金属,实现原子级均匀分布,从而变“假合金”为“真合金”。

    创想得到证实,研究步步跟进。根据这一技术设计开发出的相关材料和部件,已成功应用于我国重大型号战略导弹。

    2015年,范景莲教授团队与株洲硬质合金集团有限公司共同完成的“高性能钨基复合材料及其应用”项目,荣获国家技术发明二等奖。

    像杂交水稻一样“杂交”陶瓷材料与难熔金属

    研制出耐超高温复合材料,高温强度提高5倍以上、密度降低一半

    2009年,范景莲在难熔金属领域开始攀爬又一座新高峰。

    新型超高速飞行器在近地空间以Ma5~20长时间飞行,其前端关键结构部件表面产生2000至3000摄氏度高温,承受强表面氧化和高动压高过载冲击,这对热端构件提出了极为苛刻的使用要求,是国际公认最突出技术难题。

    一次,一篇有关杂交水稻的报道让范景莲灵光乍现,如果用超高温陶瓷材料和难熔金属实现“微纳复合”,是不是可以像杂交水稻一样,实现双方优势互补,既有陶瓷的高熔点、低密度等特性,又拥有金属的延展性呢?

    一直以来,材料技术都要求材料越纯越好,现在反而要将杂质引入金属里?范景莲的想法再次被质疑为“荒唐”。

    与“金属+金属”的复合材料相比,“金属+陶瓷”形成复合材料的难度呈几何倍数增加,因为一个是有机材料,一个是无机材料;一个导电导热,一个不导电导热;一个可延展,一个没有延展性,可谓根本没有“复合”的基础。

    “正因为国外没有过这样的研究,我们才更应该去做,走出一条属于自己的路!”在向有关部门和专家们汇报时,范景莲如此坚持。最终,她为自己赢得了一次样件考核的机会。

    缺乏超高温实验设备,范景莲自掏腰包在株洲租借高温炉,每烧制一炉样品的费用在1万元左右。一次又一次的失败,她的学生都开始质疑,直接对范景莲说:“您不在电脑上做模拟仿真,偏要跑去做实验,材料都不知道废了多少”。

    迎难而上。范景莲就是要让学生们知道什么叫科研,科研应该从实验室走出来。

    2010年冬,范景莲拉着2箱样件,前往北京参加考核。“当时抱着破釜沉舟的心情。”她说,样件要经过多项考核,而考核一项的费用要10多万元。这次考核不仅可能会失败,而且还将用掉本就已捉襟见肘的科研经费。

    最终,样件通过了一项项严酷的考核。

    这种微纳复合轻质难熔金属基复合材料实现了难熔金属高温强韧、轻量化和抗烧蚀一体化设计,其高温强度比现有超高温难熔金属提高5倍以上,密度降低1/2;经风洞和发动机反复考核,材料无破坏、近零烧蚀,可实现空气中超高温环境下的长时间抗烧蚀、抗冲刷、抗高过载冲击,在高超声速武器热防护、新型高能发动机等超高温领域迅速得到推广和应用。

    目前,范景莲已获得发明专利近50项。继入选“长江学者”“国家杰出青年”以及享受国务院政府津贴专家之后,2017年,范景莲成为国家首届创新争先奖获得者并获得何梁何利科技进步奖。

     “把研究成果变成可应用的产品,才能真正体现其价值”

    自己动手搞加工,让尖端技术材料成功走上产业化之路

    材料有了,新问题又来了。

    面对这种超高温难熔金属复合材料,国内多家加工企业都束手无策。

    “把研究成果变成可应用的产品,才能真正体现其价值。”范景莲于是开始了人生的第三次挑战——让材料产业化。

    “梦想有多大,吃的苦就有多少。”范景莲没有退缩,召集团队一起想办法,最终,六七名骨干成员“众筹”100万元,在长沙麓谷租借一处民房,自己来加工。

    没钱有没钱的办法。团队先买来一台普通车床,开始工艺摸索。每天晚上,范景莲带着学徒席地而坐,一边看设备说明书,一边摸索操作,逐渐掌握诀窍,做出简单样品。

    要做出复杂零部件,还需要一台五轴五联动的数控车床,价值两三百万元。

    买不起,怎么办?范景莲找到原长沙机床厂的厂长,耐心请教。后来这位厂长出了个主意,先买一台三轴的,然后再买轴组装,这样就只需要花三四十万元。

    一年多下来,加工问题迎刃而解。

    2014年,范景莲带着一批一直从事新材料研究的博士、硕士、工程人员,创建长沙微纳坤宸新材料有限公司。

    公司资金匮乏,宁乡高新区管委会伸出援手,为其垫付土地摘牌资金,代建了一栋4000平方米的厂房。宁乡市政府给予公司总计1000万元的产业引导基金和政府贷款。

    2015年9月,微纳坤宸投产;2017年实现批量生产,完成3大类产品的军工鉴定与定型,可生产10多种高端材料产品。2017年公司销售收入超过1000万元。今年,公司订单金额已达3000多万元。

    “把材料做成了尖端产品,把科学兴趣变为了国家需求。”范景莲自豪地表示,微纳坤宸已成为我国航空航天、国防军工以及兵器船舶等领域多个型号产品的唯一供应商。(2018年05月10日 第03版 要闻·深读)

    来源链接:http://hnrb.voc.com.cn/hnrb_epaper/html/2018-05/10/content_1307920.htm?div=-1


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