——记2015年度国家自然科学奖二等奖获得者张荻团队

本刊记者　宋 洁

　　
　　“非连续增强金属基复合材料”，顾名思义，就是在金属基体中加入非连续增强体。这样一来，复合性能可通过增强体的种类、含量、尺寸、构型及复合界面进行设计与调控，优势互补，从而使材料的轻量化、高强度、高模量、高热导、低膨胀等性能得到进一步提升。
　　这种优势令其在航天工程等国家战略性高技术领域占据了重要的战略性地位，而发达国家又针对该材料对我国一直实行材料禁运和技术封锁。为了发展我国独立自主的高性能的金属基复合材料，上世纪90年代初期，国家科技部部署成立了金属基复合材料国家重点实验室，并积聚一批复合材料研究人员立足国家的重大迫切需求，针对金属基复合材料中的复合调控难、界面匹配难、形变加工难等关键科学问题和复合技术攻关。“航天用非连续增强金属基复合材料制备科学基础研究”，就是在该实验室以及国家自然科学基金委、国家科技部等部门的支持下，由上海交通大学张荻、张国定等人带领课题团队展开的。
　　从1994年起，研究课题组历时20余年，由7项国家自然科学基金项目资助，开展了非连续增强金属基复合材料共性关键基础科学问题——复合设计热力学规律、界面调控规律和形变加工机理研究工作，为非连续增强金属基复合材料制备科学提供了系统理论依据，取得了一系列突破。
　　针对材料复合调控和设计难问题，他们积极开展铝基、钛基复合材料复合制备过程中热力学与动力学研究，成功实现了金属基复合材料界面反应控制与增强体的均匀分布；提出的有效增强相热力学计算方法被本领域权威期刊Metal. Mater. Transaction等引用并直接用来指导金属基复合材料的设计。
　　同时，他们开展了增强体/基体非共格界面和共格界面的界面调控规律研究。针对非共格界面提出了缓解增强体/金属基体界面微区力学不均匀性的界面设计准则；针对共格界面和半共格界面，阐释了增强体与基体合金及不同增强体之间位向关系形成机理，建立了钛基复合材料微观—细观—宏观跨尺度拟实模型，为高性能钛基复合材料力学性能预测提供了理论依据。提出的“缓解增强体/基体界面微区力学性能不均匀性”的界面设计准则，被欧洲科学院院士Javier Liorca教授评述为该领域的重要进展。
　　另一方面，硬脆增强体加入金属基之后，变形极为困难，使制备出的复合材料难以大变形加工成航天用的复杂构件。为此，他们开展了复合材料的形变机制研究，相继发现并揭示了非连续增强铝基、钛基复合材料塑性和超塑性变形机理与规律，实现了铝基、钛复合材料超塑性大变形，为铝、钛基复合材料及其构件大变形、精密成形加工提供了理论依据。美国空军研究实验室首席科学家D.B.Miracle就评价该团队的工作证实了难变形的钛基复合材料具有良好超塑性变形行为，而且增强体的引入有助于超塑性变形。
　　以上述研究成果为基础，他们发表的20篇重要论文，他引768次，国际重要学术会议特邀报告19次，获得国际权威期刊典型评述30余次，甚至早在2006年就获得了上海市自然科学奖一等奖。而为了证实理论指导所复合制备出的金属基复合材料能满足国家航天领域的重大需求，此后，他们在进一步加强基础研究的同时，也积极探索应用研究，设计制备出系列航天用非连续增强金属基复合材料及构件，为“嫦娥三号”、月球车提供了200余件轻质高强多功能金属基复合材料及构件，所研制的月球车行走机构用棘爪，为中国在月球上留下第一行足迹做出了应有的贡献，有力地支撑了金属基复合材料在我国航天领域的应用。正如CCTV所指出的，“筛网棘爪做轮子，越野避障样样行”。“金属基复合材料国家重点实验室的研究团队对铝基复合材料开展了长期、系统和深入的基础和应用基础研究，已成为我国轻质高强铝基复合材料主要研发和制造基地，为我国高科技发展和维护国家安全做出了重要贡献。”国家科技部对于该工作高度评价道。
　　如今，张荻团队历时20多年的成果获得了2015年国家自然科学奖二等奖。站在新的起点上，他们将进一步深化金属复合材料的研究，并在高性能、大型化研究中，为满足我国航天和相关高科技领域的重大需求做出更大的贡献。