夯實(shí)材料基礎(chǔ) 支撐中國(guó)制造
——記中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員楊凱

李 剛

楊凱

隨著航天、航空、信息等高技術(shù)和海洋開(kāi)發(fā)、先進(jìn)制造技術(shù)等工業(yè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)迫切需要解決極端條件下如高承載、高速度、高真空、超低溫、強(qiáng)輻射及各種外場(chǎng)力作用下的摩擦學(xué)問(wèn)題。工況條件苛刻，常規(guī)材料已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了在極端苛刻工況條件下運(yùn)行的摩擦學(xué)系統(tǒng)的使用要求。以耐磨涂層材料為代表的特種防護(hù)材料應(yīng)運(yùn)而生，使在高溫、高真空、高負(fù)載、高速等極端苛刻工況條件下的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)成為可能。

為了助力“中國(guó)制造2025”偉大目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也為了在材料科學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)自己的一份科研力量，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所/中國(guó)科學(xué)院特種無(wú)機(jī)涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員楊凱將科研理想建立在苛刻工況條件下涂層或薄膜材料摩擦、磨損與潤(rùn)滑應(yīng)用基礎(chǔ)研究及其工程化應(yīng)用中。雖然年紀(jì)尚輕，但自博士畢業(yè)以來(lái)，他就以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人身份主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上/青年項(xiàng)目、上海市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、科工局配套科研項(xiàng)目、各類企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目等近20項(xiàng)，研究成果已經(jīng)成功獲得多項(xiàng)國(guó)家航天和航空重點(diǎn)型號(hào)工程應(yīng)用。

筑夢(mèng)材料，求學(xué)勇于探新知

20世紀(jì)70年代以來(lái)，人們把信息、材料和能源作為社會(huì)文明的支柱。80年代又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，新技術(shù)、新產(chǎn)品及新工藝對(duì)新材料的要求越來(lái)越強(qiáng)烈，也促進(jìn)了當(dāng)代材料科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展。“材料科學(xué)將物理、化學(xué)等多類學(xué)科融合到其中，并且最終面向的是一些產(chǎn)品基建，與工程結(jié)合得比較緊密?！敝袑W(xué)時(shí)期，楊凱對(duì)材料科學(xué)產(chǎn)生了好奇與向往。

功夫不負(fù)有心人，楊凱以優(yōu)異的成績(jī)考入鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程系，正式開(kāi)始了在材料科學(xué)領(lǐng)域中的筑夢(mèng)之旅。在此之后，他又相繼考入東南大學(xué)材料科學(xué)與工程系、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院攻讀碩士以及博士學(xué)位，并獲得上海市普通高等學(xué)校優(yōu)秀畢業(yè)生榮譽(yù)稱號(hào)。

2010—2012年，楊凱來(lái)到了中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，在丁傳賢院士創(chuàng)立的等離子體噴涂課題組從事博士后研究，基于之前在碩士以及博士攻讀期間培養(yǎng)獲得的科研素養(yǎng)，楊凱順利獲得了中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目一等資助，而這也是時(shí)隔7年，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的博士后再次獲得這一項(xiàng)目的一等資助。從事博士后研究期間，楊凱將研究重心放在等離子體噴涂Al2O3-Cr2O3耐磨復(fù)合涂層設(shè)計(jì)、制備及性能研究上，并取得了一系列創(chuàng)新性成果。在熱噴涂涂層領(lǐng)域權(quán)威核心期刊Surface and Coatings Technology，Journal of Thermal Spray Technology上發(fā)表多篇SCI論文，申請(qǐng)并授權(quán)發(fā)明專利多項(xiàng)。憑借優(yōu)秀的科研成績(jī)，楊凱還獲得了中國(guó)科學(xué)院王寬誠(chéng)博士后工作獎(jiǎng)和中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所優(yōu)秀博士后榮譽(yù)稱號(hào)。

榮譽(yù)的背后是對(duì)楊凱科研成果的肯定，并無(wú)形中給予了他更大的科研自信，為他今后更加堅(jiān)定地投入科學(xué)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

探索開(kāi)拓，成果助力航空航天

科學(xué)研究，貴在堅(jiān)持。特別是在中國(guó)制造2025的背景下，楊凱更深切地感受到了身為一名材料科學(xué)領(lǐng)域科研人的使命與擔(dān)當(dāng)，而這份責(zé)任感也在促使著他不斷深入科研創(chuàng)新之中并從未懈怠。自2012年5月博士后出站至今，他一直在中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所從事研究工作，特別是在高速、高載耐磨涂層，高溫耐磨涂層，海洋環(huán)境耐磨抗蝕涂層等研究方向中展開(kāi)了一系列創(chuàng)新性探索。

航空航天是我國(guó)的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，在深空探測(cè)等方向承擔(dān)著重要的職責(zé)。隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，其中所涉及的工況條件也越來(lái)越苛刻，從而對(duì)材料本身的性能考核評(píng)價(jià)要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。

在2012年楊凱從事博士后工作期間，他就在一次實(shí)驗(yàn)研究中偶然發(fā)現(xiàn)了在氧化鋁涂層微裂紋內(nèi)部有一些納米晶的填充。在這一基礎(chǔ)上，他決心展開(kāi)深入探索，并在研究中首次發(fā)現(xiàn)并闡明Al2O3涂層中的原位納米晶填充涂層微裂紋的“自修復(fù)”機(jī)制和部分共格界面強(qiáng)韌化機(jī)制，提出應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)徽{(diào)控α-Al2O3納米晶含量進(jìn)行自增韌涂層的新方法，同步優(yōu)化涂層的導(dǎo)熱、力學(xué)與耐磨性能。研究成果發(fā)表在美國(guó)金屬學(xué)會(huì)ASM主辦的國(guó)際熱噴涂領(lǐng)域唯一的SCI期刊Journal of Thermal Spray Technology上，被評(píng)為2016年度20篇優(yōu)秀論文之一（中國(guó)僅2篇文章入選）。應(yīng)力誘導(dǎo)相變自增韌Al2O3涂層成功應(yīng)用于120噸級(jí)液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵動(dòng)密封和直升機(jī)旋翼系統(tǒng)高速關(guān)節(jié)軸承。

為抑制Al2O3涂層的導(dǎo)溫系數(shù)呈負(fù)溫度系數(shù)特征，尤其在500℃以上涂層導(dǎo)熱呈衰減趨勢(shì)，基于異質(zhì)形核和部分固溶，楊凱還設(shè)計(jì)并制備了Al2O3-Cr2O3復(fù)合涂層，強(qiáng)化相界面并細(xì)化晶粒，改善涂層層間界面結(jié)合，獲得熱導(dǎo)率初值高且400℃后呈現(xiàn)正溫度系數(shù)特征復(fù)合涂層，實(shí)現(xiàn)了涂層導(dǎo)熱、強(qiáng)韌與耐磨的同步優(yōu)化，研究成果在高壓補(bǔ)燃液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氧泵密封動(dòng)環(huán)中獲得成功應(yīng)用。

應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)患{米晶自增韌Al2O3涂層和導(dǎo)熱呈正溫度系數(shù)特征的Al2O3-Cr2O3復(fù)合涂層，是楊凱作為第一作者/第一發(fā)明人的研究成果，并分別作為兩個(gè)主要發(fā)明點(diǎn)獲得2018年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（第二完成人，2/8）。

科學(xué)研究的最終目的之一就是將研究成果付諸應(yīng)用。油門(mén)操縱臺(tái)是飛行員操控飛機(jī)飛行的關(guān)鍵裝備，為了優(yōu)化其關(guān)鍵性能，楊凱團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備出新型單相置換固溶體涂層，成果應(yīng)用于飛機(jī)油門(mén)臺(tái)摩擦阻尼器核心齒輪組件，顯著改善了摩擦阻尼力矩輸出穩(wěn)定性，大幅提高了油門(mén)臺(tái)操縱力的控制精度，確保了飛行員操控的平順性、舒適性、機(jī)動(dòng)性、安全性。

為解決長(zhǎng)時(shí)高溫蠕變會(huì)降低涂層強(qiáng)化效果的問(wèn)題，需引入良好抗高溫蠕變性能組元，消除或減少晶界形成非晶相或共晶相自鎖結(jié)構(gòu)以抑制晶界滑移與空位擴(kuò)散。

楊凱創(chuàng)新性的提出利用深共晶凝固機(jī)制，等離子體噴涂原位沉積新型Al2O3基非晶/共晶陶瓷涂層，其具有更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、晶化初始溫度、晶化激活能及形核阻力，即具有優(yōu)異的高溫微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，該涂層兼具良好的塑韌性、熱導(dǎo)率、止裂特性和耐蝕性，展示出更高PV值苛刻磨損工況下優(yōu)越的耐磨抗蝕性能，除了航空航天領(lǐng)域，海洋領(lǐng)域也有較大的應(yīng)用前景。

堅(jiān)定信念，從材料基礎(chǔ)出發(fā)

科學(xué)研究的信念是貫穿在科研人的人生之中的。在楊凱所在的中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，許多老一輩科學(xué)家在耄耋之年仍堅(jiān)守在科研崗位上，攻關(guān)不輟，這個(gè)科研氛圍也無(wú)時(shí)無(wú)刻不在感染著楊凱，并堅(jiān)定了其將科研作為一輩子事業(yè)的理想?！半m然科研工作本身是一件比較苦的事情，但它內(nèi)在卻充滿了無(wú)窮的趣味性，我們可以從研究中發(fā)現(xiàn)科研規(guī)律并將研究成果付諸應(yīng)用，通過(guò)科研工作，我的自我人生價(jià)值也得到了實(shí)現(xiàn)?！睏顒P說(shuō)。

薪火相傳，生生不息。沿襲著中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所一直以來(lái)的科研傳統(tǒng)，楊凱也希望能將自己的所學(xué)及所得傳授給下一代科研學(xué)子。在學(xué)生的培養(yǎng)上，他十分注重提高學(xué)生的科研積極性以及對(duì)學(xué)生科研思想、科研素質(zhì)的培養(yǎng)，在他看來(lái)這些都是將來(lái)學(xué)生走上科研崗位的基石，也是他們進(jìn)行科研開(kāi)拓的前提條件。

榮獲2018年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

隨著我國(guó)科研創(chuàng)新水平的提高，材料科學(xué)也在以飛速發(fā)展的姿態(tài)追逐著發(fā)達(dá)國(guó)家的腳步，但是目前仍存在著較大差距，許多材料仍依賴于進(jìn)口。在楊凱看來(lái)，存在這一差距的原因，很大程度上在于我們從基礎(chǔ)材料研究層面就有很多遺留問(wèn)題沒(méi)有解決?！拔艺J(rèn)為傳統(tǒng)材料有其不可替代的地方，如果能將其做好的話，它們的貢獻(xiàn)程度在某種程度上比新材料要大得多?！倍恢币詠?lái)，楊凱一直遵循著這一研究初衷，自2010年開(kāi)始，他就圍繞著氧化鋁及氧化鋁基復(fù)合涂層開(kāi)發(fā)及拓展相關(guān)涂層體系，然后慢慢推向應(yīng)用。未來(lái)，他還將以夯實(shí)最基本的材料研究作為自己的研究重點(diǎn)，不斷開(kāi)拓下去。

在科學(xué)研究中，有太多的未知需要探索。坦然面對(duì)失敗，腳踏實(shí)地前行，一步一個(gè)腳印，用積極樂(lè)觀、攻堅(jiān)克難的態(tài)度投入自己熱愛(ài)的科研工作當(dāng)中，是楊凱的人生準(zhǔn)則。未來(lái)，他還將以他的材料夢(mèng)作為人生的坐標(biāo)，不斷地去追夢(mèng)，在材料科學(xué)研究的長(zhǎng)河之中，實(shí)現(xiàn)自己的理想與抱負(fù)。