復(fù)合材料王國里的精彩人生——訪哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬復(fù)合材料與工程研究所所長武高輝

本刊記者 高慧娟

采訪手記：

我國材料科學(xué)晶體結(jié)構(gòu)專家、中國科學(xué)院院士張澤將材料在未來社會發(fā)展中的重要作用，比喻為“國力基礎(chǔ)、時代先驅(qū)和科技前沿”。關(guān)注材料領(lǐng)域的科學(xué)家是雜志由來已久的夙愿。哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授武高輝是國內(nèi)外金屬復(fù)合材料界知名學(xué)者，我們跟蹤關(guān)注他已有兩年多了，多次約訪均被婉言謝絕，終于，被記者的誠心所打動，得到應(yīng)允。

鏈接：

金屬復(fù)合材料是以金屬為基體，里面加入不同種類不同形態(tài)的陶瓷做增強體而得到的新材料，它可以發(fā)揮金屬與陶瓷的各自的優(yōu)點，獲得通常的合金所不具備的特殊性能。該領(lǐng)域較窄，但在現(xiàn)代航空航天的關(guān)鍵設(shè)備上往往有不可替代的作用。

與復(fù)合材料意外結(jié)緣

《科學(xué)中國人》：剛看到您發(fā)明的那么多新材料，感到一種震撼！它們解決了我國重大裝備的那么多的關(guān)鍵問題。我們想知道，您是怎樣與金屬復(fù)合材料結(jié)緣的？

武高輝：說來我很幸運。我是哈爾濱工業(yè)大學(xué)77級本科生，1981年畢業(yè)設(shè)計時，韓圭煥老師領(lǐng)著我干。當(dāng)時金屬復(fù)合材料這個名詞還是韓老師訪問日本時第一次聽說的，實驗室沒有任何制備設(shè)備，不知道怎么干。我們商量做鎢（W）絲增強銅（Cu）復(fù)合材料，可怎么實現(xiàn)呢？我自己用鐵皮做了橢圓截面的鐵筒，將銅箔鋪在鐵筒上，用車床將W絲纏繞在表面，再刷上膠，隨后切下來變成2張單向板。可是怎么把單向板壓接復(fù)合到一起呢？又難住了我們，因為沒有熱壓機。我又想出了一個辦法，從工廠要來幾種彈簧墊圈，逐一在試驗機上標(biāo)定出彈簧墊圈的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將幾張單向板用厚鐵板夾住之后擰上8個帶彈簧墊圈的螺栓，靠彈簧墊圈加壓，在干燥箱內(nèi)固化，鎢纖維增強銅復(fù)合材料就這樣誕生了！當(dāng)時興奮的心情無法言說。

按計劃完成不同方向上拉伸性能的測試和分析后，老師認(rèn)為試驗結(jié)束了。出于好奇心，我拿著拉斷的試樣來回琢磨，將表層銅箔撕掉，發(fā)現(xiàn)里面纖維排布方向向著拉伸的方向偏轉(zhuǎn)了，這又是一個驚奇的發(fā)現(xiàn)！于是，我提出了一個纖維偏轉(zhuǎn)的力學(xué)模型，并討論了蔡—希爾強度準(zhǔn)則適用性問題，論文在1982年4月中國復(fù)合材料學(xué)會第二屆年會上宣讀，受到很多鼓勵。隨后刊載在《哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報》1983年第3期上。當(dāng)時我還沒有看到國內(nèi)關(guān)于金屬復(fù)合材料的研究論文，這篇文章也反映了我國金屬復(fù)合材料研究起步時的狀況。

科研的成功和喜悅使我喜歡上了這個方向，如今這項工作已經(jīng)成為我生活的一部分。

執(zhí)著的300多次壓力鑄造試驗

《科學(xué)中國人》：做金屬復(fù)合材料研究難嗎？最大的障礙是什么？

武高輝：說難也難，說不難也不難。做出小尺寸試樣進(jìn)行理論分析難度不是很大，但是要穩(wěn)定地做出大尺寸材料很難。有了合格的材料，應(yīng)用研究才能進(jìn)行下去，理論研究才有可持續(xù)性。所以，材料制備工藝是最關(guān)鍵的，然而恰恰制備工藝研究很難，因為受硬件條件制約和受社會大環(huán)境的影響較大。

《科學(xué)中國人》：那您是怎么攻克這項技術(shù)的呢？

武高輝：1987年11月，我到哈工大的姊妹校日本千葉工業(yè)大學(xué)做訪問學(xué)者，在我的恩師渡邊久藤校長的研究室工作了幾年，這段經(jīng)歷使我受益匪淺。

制備金屬復(fù)合材料的關(guān)鍵是去除復(fù)合材料中的空氣（通常預(yù)制體中的空氣體積占50%以上）。抽真空自然是好辦法，但是當(dāng)時還沒有真空設(shè)備，如果能在大氣環(huán)境下制備出無氣缺陷的材料就好了。我提出了一個自發(fā)排氣的辦法，在模具底部開設(shè)排氣孔，利用金屬溶液的流動壓力把預(yù)制體中的氣體排擠出去。教授一再搖頭說“這很危險”。很巧，不久日本《輕金屬》學(xué)報發(fā)表了一篇研究快報和照片，一位研究者也設(shè)想了在模具中開排氣孔的方法，結(jié)果高溫鋁液噴射出來布滿了現(xiàn)場，警示人們這樣做不行?？晌疫€是不服氣，認(rèn)為能行，堅持做了。最緊張的時候是每天早上開車床（設(shè)備都是自己親自操作的），用耐熱鋼加工出4個模具，上午裝填預(yù)制塊，中午保溫，晚飯前做壓力浸滲，晚間到半夜把外邊的模具車掉取出復(fù)合材料樣品，這樣一天4個樣品，第二天再解剖分析。就這樣，持續(xù)3年多，找到了一些規(guī)律，但是制備的材料時好時壞，復(fù)合機理并不清楚，當(dāng)時還沒有任何模擬分析的手段。

金屬溶液是怎么浸滲的？我每天都在冥想，連做夢也在想，一天凌晨，腦海中出現(xiàn)了一個主意，如果在復(fù)合材料預(yù)制體不同部位放置熱電偶，就可以實時檢測金屬溶液向預(yù)制體中浸滲的過程。這要在模具側(cè)面也開出熱電偶的孔洞，高壓浸滲時更危險。我采取了一些措施，做好保護(hù)。幾輪實驗，果然眼前出現(xiàn)了預(yù)制體不同部位溫度跳躍式變化的曲線，再三分析，推演出金屬溶液液面推移規(guī)律和凝固邊界的移動規(guī)律。結(jié)果整理出來，茅塞頓開！摸索了快四年，300多次試驗，終于明白壓力浸滲的工藝控制原理，論文發(fā)表在日本《輕金屬》1993年第1期上，當(dāng)時叫做“加壓排氣鑄造”。

回國后又不斷完善工藝路線，總結(jié)出一套新的壓力浸滲控制方法，提煉出溫度場、流場及浸滲速度的控制要素，從而實現(xiàn)了大氣環(huán)境下高致密度制備。與美國報道的真空制備方法相比，不僅設(shè)備簡單，而且由于復(fù)合時間短，還解決了界面反應(yīng)等問題。正由于解決了制備工藝問題，我們的復(fù)合材料研究才進(jìn)入了性能設(shè)計的層面，目前已經(jīng)誕生了近20種復(fù)合材料，這項技術(shù)成為我國特有的金屬復(fù)合材料制備技術(shù)。

《科學(xué)中國人》：4年300多次試驗，平均每周兩次，壓力鑄造試驗是較繁重的工作。您是靠什么信念堅持下來的？

武高輝：一項新工藝一項專利，無非幾個參數(shù)、簡單的裝置，可卻凝聚了研究人員很多很多的心血。

我之所以傾心于材料制備技術(shù)，因為我深信，現(xiàn)階段這最重要，有了合格的材料才有理論研究和應(yīng)用研究的資本，加之我也擅長于動手。剛到日本時，正好研究室安裝了一臺高分辨電子顯微鏡，稀罕得不得了，開始了復(fù)合材料界面研究。不久發(fā)現(xiàn)，這里的科研條件非常好，經(jīng)費沒有障礙，運行機制也很順暢，在這樣的好條件下，為什么不研究解決材料制備問題呢？于是很快轉(zhuǎn)向，搞起了制備技術(shù)研究。當(dāng)時沒有計算機模擬技術(shù)，只能硬干，很正常，沒覺得如何辛苦，每次試驗都能有一些新的發(fā)現(xiàn)，新的進(jìn)步，這就有希望。

回國后，我所在的哈工大和921教研室是個好集體，給了我莫大幫助。當(dāng)時教研室雷廷權(quán)、楊德莊和周玉等正副主任以及老教師們始終對我有一種期盼，在剛回國最困難的時候從物力、經(jīng)費、研究生分配上支持我，同時回國就免評審晉升為副教授職稱，兩年后評上了教授，因此我的后顧之憂不多，可以讓我集中精力攻關(guān)，這也是一個重要的客觀原因。

留學(xué)的收獲

《科學(xué)中國人》：您在日本工作六年，除了攻克復(fù)合材料制備技術(shù)，還有什么收獲？

武高輝：和絕大多數(shù)留學(xué)日本的朋友一樣，在這個國度里學(xué)到了像文明素養(yǎng)、團(tuán)隊意識、恪盡職守、精益求精等精神層面受益終生的東西。不同的是，我因為工作太賣力而生病，住院半年多，有幸和各種日本人，特別是參加過侵略戰(zhàn)爭的老年人朝夕相處，他們各種各樣的目光使我有所醒悟：從小就知道中國人站起來了，可事實是那段被侵略、被奴役的屈辱歷史使得中國人在他們眼中還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有站立起來。我們從小就接受愛國主義教育，但并不知道“愛國”這兩個字的個中滋味，身在他鄉(xiāng)方有感受，只有自己的國家強大了我們個人才有尊嚴(yán)。愛國其實很具體，就是自強。文明禮貌、講究衛(wèi)生、重樹禮儀之邦的中國人形象就是愛國；把自己的工作干好，干得比日本人還要好，要超過他們，這就是愛國。出院后我沒有聽大夫的話好好休養(yǎng)，而是更加拼命了，他們認(rèn)為解決不了的問題我都做到了?；貒嗄旰螅ご笤L日代表團(tuán)回來跟我說，千葉工大的老師都夸你很能干，很佩服你。說實話，這話我愛聽，長志氣！

《科學(xué)中國人》：為什么選擇回國？

武高輝：在外國無論干得多么出色，都不是主人。出去是學(xué)本事，趁著年輕回來為自己的國家做點事。1993年11月，出國6年整，我回國了。由于研究工作緊密服務(wù)于航天，新材料和新工藝研究發(fā)展就較快，我不僅為國家重大工程做了些事情，還成為了慣性技術(shù)專業(yè)組里唯一的材料專家，解決了一些實際問題，提了一些戰(zhàn)略發(fā)展意見并吸收到國家發(fā)展計劃中，這是實實在在地為國家的科技發(fā)展獻(xiàn)計獻(xiàn)策。我親身體驗到了“做主人”的責(zé)任感、自豪感，這在國外是享受不到的。

科學(xué)研究的“道”和“術(shù)”

《科學(xué)中國人》：回國20年，您做科研有哪些領(lǐng)悟和體會？

武高輝：我搞科研是因為興趣和信念，從小就喜歡動手制作，還總想變著法兒做出點新奇的東西來。

搞科研每個人都會有自己的風(fēng)格或者傾向，或稱之為科研之道?？茖W(xué)探索要有好奇心、要有興趣，而一旦自己的興趣和國家需求碰撞到一起了就會產(chǎn)生激情，而且是延綿不斷的激情。我的這個“道”就是，把個人興趣和國家急需結(jié)合起來。

欒恩杰院士曾經(jīng)來我研究所座談，對我的一些想法做法十分感興趣，啟發(fā)我說不僅要需求牽引（滿足國家急需），還要牽引需求（走在裝備發(fā)展的前面）。細(xì)想，這是一個更高層次的境界，至今還在嘗試著、追求著。

《科學(xué)中國人》：有道也就有術(shù)，二者相輔相成。您的工作中的“術(shù)”是什么？

武高輝：科研當(dāng)然也是有術(shù)的，而且很重要。論述科研方法的書很多的，我熱衷的是，用“簡單”的方法解決復(fù)雜的問題。

前邊講的自排氣壓力浸滲就是一個例子，在大氣環(huán)境下用壓力機得到了接近理論密度的材料，這是中國獨有的制備方法，比美國的真空壓力浸滲有很多優(yōu)勢。如，不像國外那樣在纖維上鍍膜，而是只通過工藝控制就制成了無界面反應(yīng)的碳纖維/鋁（Cf/Al）復(fù)合材料、還有有自潤滑界面的TiB2/Al功能復(fù)合材料、界面半共格的納米復(fù)合材料等。目前，已經(jīng)有4種復(fù)合材料正式應(yīng)用于十幾個新型裝備，解決了一些“卡脖子”問題。

2011年徐匡迪院士來我校參觀，看到了我的成果介紹十分高興地說：“碳纖維與鋁的反應(yīng)控制很難，我一直贊賞用工藝的方法解決。下次來參觀希望能看到你更多的展板?！边@番話促使我對認(rèn)識論和方法論有了新的領(lǐng)悟。但凡問題都有簡單復(fù)雜之分，方法有簡單復(fù)雜之術(shù)。用復(fù)雜的方法解決復(fù)雜的問題是一種水平，而敢于用“簡單”的方法解決復(fù)雜的問題更是一種能力和一種境界。我剛剛嘗到一點兒甜頭，還在努力著。

《科學(xué)中國人》：還有哪些科研心得與我們分享？

武高輝：其實我用的還是很笨的辦法，科學(xué)上可能沒有捷徑。找到碳纖維增強鋁復(fù)合材料界面反應(yīng)控制這個“簡單”的方法，用了整整10年。如果總結(jié)成功經(jīng)驗，首先是堅持不懈，鍥而不舍，不指望走捷徑，不急于發(fā)文章；其次是要有動手做的習(xí)慣和天賦。另外就是專注。我有個習(xí)慣，專注思考一個問題，連做夢也在想，很多好點子都是在凌晨兩三點在睡夢中想出來的，床頭常預(yù)備一張紙，隨時準(zhǔn)備記錄。至今有七八種復(fù)合材料的研制成功均得益于這種習(xí)慣。

用“簡單”方法解決復(fù)雜問題不是天才想出來的，而是從一次次的失敗經(jīng)驗中總結(jié)升華出來的，一旦捅破一層窗戶紙，聰明的方法就誕生了。在可知論者眼里，世間事物是可知的，是有規(guī)律的，就看你能否看到它的變化本質(zhì)。愛因斯坦方程E=mc2再簡單不過，它蘊含著深刻的哲理。

科研的定位

《科學(xué)中國人》：我們知道，您不僅搞材料，而且對慣性技術(shù)、紅外制導(dǎo)、衛(wèi)星、宇航服、空間站、導(dǎo)彈、超音速飛行器等都有所了解?？蒲械目缍仍趺催@么大？

武高輝：這個問題問得很好，我和年輕教師座談也遇到類似的問題，實際上這是一個科研定位的問題。

錢學(xué)森提出“技術(shù)科學(xué)”的概念，指研究的對象既不是科學(xué)中的技術(shù)問題，也不是純技術(shù)或純科學(xué)問題，而是工業(yè)技術(shù)中的科學(xué)問題。我覺得這個概念符合理工科大學(xué)的研究工作定位。所以，從工程，特別是國家重大工程中發(fā)現(xiàn)問題，找出科學(xué)規(guī)律，用科學(xué)的方法解決實際問題，這應(yīng)是我們的工作定位。

我在研究所文化建設(shè)中提出了一句話“以國家需求為己任”，這就是我們團(tuán)隊的工作定位?？陀^上我們受益于哈工大的航天因緣，對航天了解得多些，涉及結(jié)構(gòu)、制導(dǎo)、控制、電子、通訊、防熱等多個技術(shù)方面，接觸了十多個國家重點型號。

我這種科研定位的信念是在日本建立起來的。日本著名的“鑄造士”山口猛先生一次認(rèn)真地對我說：“我發(fā)現(xiàn)你們中國的教授研究論文很多，但對工廠的情況卻不了解。你們國家還很窮，拿出的科研經(jīng)費不容易，為什么不把這些珍貴的錢用來提高技術(shù)水平呢？我們只有很少的教授研究基礎(chǔ)理論，而大部分教授一開始就瞄準(zhǔn)企業(yè)的技術(shù)問題搞研究，所以工業(yè)技術(shù)發(fā)展才這么快”。這番話語重心長，左右了我的工作重心。

《科學(xué)中國人》：那么，您是怎么處理發(fā)表論文與工程任務(wù)的關(guān)系的？

武高輝：作為高等學(xué)府必須要占領(lǐng)學(xué)術(shù)的制高點，最好是國際國內(nèi)某領(lǐng)域的領(lǐng)軍地位，這是世界一流大學(xué)及其教授的學(xué)術(shù)使命。這一點我清楚。我率領(lǐng)團(tuán)隊一直努力寫論文，水平不高，我并不滿意，不過我們團(tuán)隊在SCI數(shù)據(jù)庫中的金屬基復(fù)合材料論文數(shù)量，在國內(nèi)還是較多的。我還清楚，對于工科院校的教授來說，發(fā)文章不是科研的出發(fā)點，也不是歸結(jié)點，只是解決問題過程中的一種交流形式。我們的研究歸根結(jié)底是以解決我國的工業(yè)技術(shù)中的基礎(chǔ)問題為目標(biāo)，這也是我的基本定位。

《科學(xué)中國人》：與工程界緊密結(jié)合做科研，收獲很大嗎？

武高輝：受益匪淺。當(dāng)解決了一些問題之后，我們材料工作者的人生價值得到體現(xiàn)，很有幸福感。更多的還是回報。與工程接觸越多、發(fā)現(xiàn)的問題也越多，得到的靈感也越多，特別是重大工程超前的技術(shù)，更激發(fā)了人的想象力和創(chuàng)造力。我們的20多種新材料的發(fā)明大部分都能直接解決背景急需的關(guān)鍵問題，而且每年都有1～2種新型材料誕生。

《科學(xué)中國人》：您近期有什么規(guī)劃？

武高輝：每天都有做不完的事情。一直在思考和踐行著學(xué)生的培養(yǎng)和年輕教師的成長工作，做了很多嘗試；在基礎(chǔ)理論上找到升華點，要有所突破，新的制備技術(shù)即將成功；圍繞國家重大工程，完成眼下幾項任務(wù)，還準(zhǔn)備拓展新任務(wù)，研發(fā)一些新的材料。雷廷權(quán)院士生前就幫我計劃著寫書，不能再拖了，總結(jié)梳理以往的工作，出幾本專著。

由于金屬復(fù)合材料已經(jīng)走向了應(yīng)用，靠高等學(xué)校的體制已經(jīng)不能勝任工程化的任務(wù)，委托能人把產(chǎn)業(yè)化搞起來。雖然工作擔(dān)子很重，好在我的團(tuán)隊成員都很能干，我把握方向，讓他們?nèi)ジ?。我隱約看到，再經(jīng)過一段努力，我們的工作在某幾個點上達(dá)到國際領(lǐng)先水平是可能的，這一點我有信心！