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湖南大学陈振华教授攻克多项材料学难题

  今年4月,金展鹏等6位院士在《对材料科技发展战略布局的建议》中指出:今天,材料科学前沿的理论问题,往往又是材料设计和制备中不可回避的工艺问题……而基于基础研究的专利,则是研究工作的必然结果。在高科技材料领域中进行基础研究,一旦建立和掌握了智能化的材料科技知识集成系统,就可以大大提高发明专利的速度。

  在湖南大学,有这么一位材料学专家,用20年潜心研究诠释了上述高屋建瓴的科学“论断”。近日,“千年学府科技纪行”采访组有机会见到了这位学者型专家——我国自行培养的第一位粉末冶金学博士、湖南大学金属材料研究所所长陈振华教授。

  “啃”微细粉末制备难题

  在粉末冶金材料加工工艺中,快速凝固技术是解决工业化生产非晶、准晶、微晶合金粉末和微细金属粉末技术难题的有效手段。但在上世纪90年代,这项技术一直被国外垄断。

  为了满足我国国防军工、电子、冶金等领域对特种粉末的需求,陈振华领衔的团队展开了长期艰难的探索。

  自20世纪80年代中期以来,陈振华系统研究了世界上已有的金属熔体雾化技术的过程原理和凝固理论,并在此基础上创立了金属熔体的多级快速凝固过程成粉理论,发明了新型制粉技术和一系列多级快速凝固制粉设备。该设备的冷速达到了当时国内外同类设备的最好水平(105~106K/s),粉末平均粒度最小可以达到5~10微米,且粒度分布集中,能够工业化生产上百种非晶、准晶、微晶和微细金属粉末,并发现了20多种新准晶合金系和反常的准晶相变现象,首次采用爆炸成形和超高压固结成形的方法制备出大块准晶材料。这些研究成果均发表在国内外核心学术刊物上,得到了同行学者的高度评价。随后,陈振华又发明了采用固体颗粒作为雾化介质的固体雾化技术。上述技术先后获得3项发明专利,并荣获国家技术发明奖三等奖1项、部省级科技进步奖多项。研究成果先后被转让到多家企业,创产值过亿元、利润数千万元。

  “啃”大型合金坯件制备难题

  制造大尺寸、高性能的金属材料部件,如飞行器壳体材料等,需要大型厚壁管坯、坯板或大直径圆柱锭坯。喷射沉积技术是制备快速凝固合金及金属基复合材料的理想技术,但大尺寸坯件的制备是一项技术难题。

  为解决国家急需的技术难题,陈振华捡起了这块不好啃的“骨头”,并通过不懈努力,嚼出了“甜头”。

  陈振华系统研究了喷射沉积理论,并从中找到突破口:如果能在喷射沉积过程中实现雾化液滴在冷基体表面上铺展沉积,就可以实现黏结与急冷的有机结合。在这一假设的基础上,他提出了以雾化液滴在较冷固相表面铺展沉积模式为核心制备大尺寸快速凝固坯锭的多层喷射沉积思想,形成了采用移动雾化器、往复式扫描逐层沉积的多层喷射沉积理论和技术。

  2001年,陈振华领导的课题组发明了新型大尺寸合金和金属基复合材料坯件的移动坩埚自动化控制式的喷射沉积新技术及设备,解决了传统喷射沉积技术在制备大型厚壁管坯、厚板坯和大直径定坯时存在的技术难题,大大提高了沉积坯的冷却速度,改善了沉积坯的组织,提高了材料的性能。课题组制备出了直径达700毫米、壁厚大于200毫米、长达1200毫米的耐热铝合金和铝基复合材料管坯;直径达700毫米的铝合金及其复合材料圆柱锭坯和直径大于1200毫米的铝基复合材料环件。这些坯件均是现有报道中尺寸最大的喷射沉积坯件,用它们制备的材料和部件性能优异。该项技术被广泛应用于高速列车制动盘、风管和铝基复合材料管接头等材料部件的研制。

  该系列成果获教育部提名国家技术发明奖一等奖1项和其他部省级奖励3项,获得国家发明专利4项,发表论文50余篇,出版了专著《多层喷射沉积技术及应用》。

  “啃”新材料研制难题

  我国著名材料学科学家师昌绪院士认为,回顾人类历史,材料领域的重大突破是“人类进步的里程碑”。随着现代社会的快速发展,新材料实际上已成为“高技术产业的先导和基础”。陈振华深知新材料开发的重要性,他与科研团队不断探索、不断前进,坚持不懈地在新材料的研究上努力攀登。

  制动盘是涉及列车安全的关键部件之一,以往采用的铸铁盘存在“簧下重量较大、影响机车车辆的动力学性能”以及“制动时表面温度较高、影响车轮的机械性能”两大问题。而采用铝基复合材料制成的制动盘,则可大大减轻机车车辆的簧下重量、改善列车的动力学性能,并显著降低制动盘的表面温度,提高机车车辆运行的安全性。然而,传统的制备工艺难以满足大尺寸铝基复合材料制动盘的要求。

  为了找到取代铸铁盘的新产品,陈振华联合株洲电力机车有限公司总工程师朱龙驹,毅然决定将目标锁定在国际上尚处于研究与试验阶段、国内研究基本上还是空白的铝基复合材料制动盘上。

  他们从自己研发的大尺寸复合材料环件喷射沉积制备技术及设备入手,首次采用喷射沉积技术研制成功高速列车用铝基复合材料制动盘以及与之配套的树脂基复合材料闸片,其中,铝基制动盘重量46千克,比同类铸铁制动盘减少50~60千克,机车的单轴簧下减重约200千克,可显著改善机车的动力学性能。

  该成果已通过铁道科学院时速200公里的台架试验,性能指标均达到使用要求,并完成工程化向产业化的转化。成果还通过了以黄培云院士为组长的专家鉴定,来自铁道部及四方机车车辆厂、中南大学、西南交通大学、北京科技大学等单位的鉴定专家一致认为,该项技术整体达到国际先进水平。

  近年来,针对变形镁合金材料的工业化生产存在的技术难题,陈振华提出了采用细化合金晶粒组织、调整晶粒取向来改善镁合金的塑性变形能力差的思想,利用一系列新技术,基本解决了镁合金塑性变形能力差的问题。与此同时,他们还出版了《镁合金》、《变形镁合金》、《耐热镁合金》3部学术专著,为我国镁合金材料研究作出了突出贡献。

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