本文轉自科學網，作者：黃辛
8月6日，記者從上海交通大學陶鋁新材料新聞發布會上獲悉，該校材料科學與工程學院王浩偉教授團隊讓鋁里“長”出陶瓷，造出了一個陶鋁“大力士”，這個“大力士”身輕如燕卻力大無窮，比強度和比剛度甚至超過了“太空金屬”鈦合金，它不僅為具有完全自主知識產權的“中國制造”增添了一個新成員，還有望“四兩扛千斤”，帶動航空、汽車、高鐵領域步入更輕、更節能的新材料時代。
據悉，這種材料從研發到應用歷經30余年，背后凝結著上海交大五代“材料人”的心血和努力：他們淡然看待外界的各種誘惑，對待科研，則像一把“利劍”無所畏懼地深入到一個個科學難題中攻堅克難，最終創造出了中國原創的新材料，并使它具備了強大的力量。
未來，上海交大將繼續在推動科技成果轉化的道路上不斷努力，進一步打通從實驗室到市場的‘綠色通道’，為服務國家、服務社會做出更多貢獻。” 上海交大校長、中國工程院院士林忠欽表示。
鋁里“長”陶瓷，納米陶瓷鋁合金四兩“扛”千斤
鋁里還能“長”陶瓷？“能！”王浩偉教授說，近30年來，他帶領團隊成員一起“玩兒”的就是這個。“大家小時候都玩水玩沙子，我的專業就是把‘水’和‘沙子’摻在一起玩兒。”王浩偉教授所說的“水”正是用于鑄造的金屬鋁，“沙子”則是陶瓷。鋁很輕，鋁合金材料可以使手機、電腦變得更加輕薄便攜，但鋁的“弱點”也很明顯：雖然它的韌性不錯，但因為太軟，易變形、也易斷裂，到了對材料的強度和硬度要求都很高的場合顯然“撐不了場”。
什么東西比鋼鐵還硬？人們馬上想到，是陶瓷。“一般人印象中陶瓷是很容易碎的，但如果只論硬度，陶瓷比鋼鐵要硬很多。如果把陶瓷的屬性摻到鋁里，制作出來的材料會不會結合兩者的優點？果然，按照這個想法做出來的鋁基復合材料性能一下就上來了，它重量輕、硬度大，有韌性又不易斷裂變形，在某些方面甚至超過了鋼鐵！”
鋁里“摻”陶瓷的辦法說起來容易，實際做起來沒那么簡單。目前國際上傳統方法是先把陶瓷制成顆粒或纖維，然后用攪拌鑄造或粉末冶金的方法混入鋁合金中獲得鋁基復合材料，這種辦法能提高材料的強度和剛度，可是又會出現加工成形困難、強度及塑性差和性能不穩定等一系列問題，嚴重阻礙了這種材料的工程應用。
“既然用物理方法從外面往鋁里摻陶瓷的路走不通了，我們又想了另外一個辦法——‘無中生有’，讓陶瓷自己從鋁里‘長’出來，這樣兩種材料就能相容了，如果再搞成納米，就把陶瓷的屬性真正加到了鋁里面，生成了一種渾然一體的新材料。”王浩偉教授介紹說，他們最終采用了“原位自生技術”，通過熔體控制自生，陶瓷顆粒的尺寸由外加法的幾十微米降低到納米級，突破了外加陶瓷鋁基復合材料塑性低、加工難等應用瓶頸。
這種納米陶瓷鋁合金重量輕，且具有高剛度、高強度、抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫等特點，即使外來作用力‘泰山壓頂’，納米陶瓷鋁合金也能做到‘巋然不動’，可以稱得上是四兩‘扛’千斤了。
或成為新一代航空材料，助國產大飛機“更輕”翱翔
把納米陶瓷顆粒引入到鋁合金，提高了材料的剛度、強度，同時保持了鋁合金良好的加工制造性能，突破了規模化工程應用的瓶頸，已在航天、汽車、先進電子設備領域得到了應用。
復合材料是航空材料領域爭奪的技術高地，“一代材料，一代飛機”，每一次航空材料的變革都帶來了航空技術的巨大進步。為了保證飛行安全，民用客機的機體結構材料對抗腐蝕、抗疲勞性要求極高，為了使飛機安全、經濟、舒適、環保，重量輕、抗腐蝕、耐疲勞的鋁鋰合金材料和碳纖維復合材料是目前新一代飛機研制較為理想的結構材料。王浩偉教授團隊研制的納米陶瓷鋁合金的具有更大的減重潛力，而且工藝性好、成本低，有望成為下一代航空新材料，使國產大飛機更輕快、更安全地在藍天翱翔。
“相比鈦合金和高溫合金，鋁合金3D打印后性能遠低于鍛件，納米陶瓷鋁合金3D打印構件可以達到鍛件的性能。我們現在正加緊和中國商飛、中國商發合作，助推國產大飛機用上這種具有我們中國自主知識產權的新材料。”王浩偉教授表示，目前納米陶瓷鋁合金已經用于天宮一號、天宮二號、量子衛星、氣象衛星等關鍵部件翱翔于太空。同時，應用于內燃機活塞和汽車關鍵部件，不僅能有效減重，還可以節能減排、提高安全性。
30年磨一劍，五代“材料人”領跑新材料革命
納米陶瓷鋁合金從無到有，王浩偉教授描述得就像 “玩水玩沙子”那么輕松，但實際上這種材料從研發到應用歷經30多年，它背后凝結著上海交大老、中、青五代“材料人”的心血和努力。
上世紀90年代，我國復合材料的創始人之一、上海交大金屬基復合材料國家重點實驗室創建者吳人潔教授，最早提出了采用“原位自生”方法在鋁合金中長出陶瓷增強體，制備鋁基復合材料，進入當時材料制備的“無人區”。
“我們從1992年就開始了納米陶瓷鋁合金的基礎研究，當時國際上采用的都是鋁里‘摻’陶瓷的物理方法，效果都不是很理想；吳人潔教授第一次提出用化學方法在鋁里‘長’陶瓷，這是非常新穎的思路。這也難怪，對于金屬冶金來說，非金屬（比如陶瓷成分）是金屬中的雜質成分，研究人員避之猶恐不及，哪兒有人還自己通過化學方法摻入‘雜質’啊。但在后來的研究中我們發現，只要通過控制化學反應的進程，把陶瓷顆粒的尺度、形態和分布控制在合理的范圍內，這些調皮的‘陶瓷小精靈’就能發揮作用，變成對材料有幫助的部分。”王浩偉教授介紹說。
王浩偉研究生階段師從在鑄造界享有盛譽的周堯和院士。1996年，周堯和院士在上海交大開辟了“生態材料學”這一全新研究領域。在吳人潔教授和周堯和院士的指導下，王浩偉教授帶著團隊的青年科研骨干持續攻關，三十年磨一劍，終于迎來了納米陶瓷鋁合金的誕生。“除了周堯和院士和吳人潔教授兩位20年代出生的‘元老’以外，團隊里的其他科研人員分別是四十年代、五六十年代、七十年代和八十年代出生的。”王浩偉教授說，團隊里的五代科研人員都敢想敢干，他們總是沖在國家科研最需要的第一線，頗有“大俠風骨”。納米陶瓷鋁合金要在上千度的高溫爐里合成，即便夏日炎炎，他和團隊成員也常常夜以繼日地守在爐邊反復實驗。據王浩偉教授團隊的一位青年科研人員介紹，材料攻關完成后，當采用納米陶瓷鋁合金制備的裝備第一次通過試驗考核時，也許是因為成功后的喜悅，又或者是多年科研攻關壓力的突然釋放，王浩偉教授在實驗現場突發心臟病，幸虧救護車及時趕到才有驚無險。
“我很幸運，得到了周堯和院士和吳人潔教授的共同指導，他們都是各自領域的大家，這種很好的學科交叉環境拓寬了我的研究思路，也讓我在納米陶瓷鋁合金的研發道路上走得越來越堅定。周堯和院士當年為了激勵生態材料學課題組內的年輕人，斟酌再三，把生態材料學（Ecomaterials）的英文字頭‘ECO’三個字母，重新詮釋出‘Excellence’ （卓越）、‘Cooperation’（合作）和‘Originality’（原創）的含義。30年來，這三個詞一直是支撐我們團隊潛心科研的精神支柱。做出中國人真正原創的東西，是我們團隊追求的終極目標。”王浩偉教授說。
不做“老板”當“老師”，“愛玩”教授帶出“尖刀”團
“夏天吃冰棍，冰棍的哪個地方最甜？”這是本學期上海交大《材料加工原理》課程期末考試最后一個20分的大題，出題人正是王浩偉教授。“這個題看起來有點‘莫名其妙’，實際上和材料科學關系大著呢。一根冰棍里，最甜的肯定是糖分濃度最大的地方，這得用傳熱與潤濕、結晶形核與生長、凝固過程中的溶質再分配等等大量材料學基礎知識綜合計算和分析，基礎知識不扎實肯定做不出來，死背書也沒法做。”一名本科生表示，剛看到這道題時確實懵了一陣，不過他很快意識到，這正是老師王浩偉的風格——“愛玩”。
“材料學原理本身有點枯燥，得來點好玩的，”王浩偉教授出題有趣，講課也愛“抖包袱”，他從不照本宣科，而是喜歡給枯燥的原理外加一層有趣的“包裝”，“下雨天打傘、小孩兒吹泡泡、甩泥巴，都能和材料學原理扯上關系，我希望能引導學生觀察生活中的一些常見的現象，激發他們解決實際問題的好奇心。講課和說相聲差不多，每節課至少得抖一個‘大包袱’出來，這樣學生才能記得住、學得進去。”王浩偉教授說，雖然當了這么多年老師，可每次上課前他還是經常會失眠，都是想“包袱”想的。
有人說，翻砂、打鐵、磨豆腐是既苦又累的行當，“翻砂”正是對王浩偉教授的研究方向的俗稱。為什么王浩偉教授和他的團隊會在這個最苦的行當里一干就是30年？王浩偉教授說，也是因為“愛玩”。“做科研有點像小孩子玩水玩沙子，感興趣就不怕苦和臟了。我們不光‘正著玩’，還‘反著玩’：把陶瓷從外面摻到鋁里這個方法走不通，就逆向思維，讓陶瓷自己從鋁里 ‘長’出來；教會學生用吹泡泡的原理除掉影響金屬材料性能的氣體，再啟發他們反向運用這個原理制作隔熱、隔音的泡沫金屬——‘愛玩’、對周圍事物時刻保持好奇心，這是我們團隊一直保持的特質。”
別看生活中“愛玩”，對待學術和科研，王浩偉教授可是一點也不含糊。很多研究生習慣在背后稱呼導師為“老板”，到了王浩偉教授這兒，“老板”這個詞絕不能叫。“我是老師，不是什么‘老板’，學生是來跟著我學東西的，不是來打工的。教學和科研得回歸本質，不能摻雜其他東西。”因此，無論科研任務有多重，王浩偉教授要求團隊里的每一位年輕教師都要給本科生上課；他要求自己帶的博士生論文選題“立得高”，只做前人沒做過的事還不夠，得瞄準國家和社會的需要解決問題。在王浩偉教授的帶動下，這支隊伍成長為一個 “尖刀”團，他們生活中可以苦中作樂，面對外界的誘惑淡然處之，做科研時則像一把“尖刀”，無所畏懼地深入到科學難題中攻堅克難，踏實地扎根科研一線，勇敢地探索未知世界。“我們30年只專心做了一件事，值了。”王浩偉教授笑著說。
四方合作，納米陶瓷鋁合金成果轉化引領新產業
既然納米陶瓷鋁合金能“四兩扛千斤”，那它怎樣才能走出實驗室，為社會創造出更大的價值？需要借助科研成果的轉化。2017年8月4日，安徽省淮北市人民政府、上海交通大學、上海均瑤（集團）有限公司、安徽相邦復合材料有限公司簽署“四方協議”，依托上海交大材料科學與工程學院王浩偉教授團隊建設交大陶鋁新材料創新中心。
上海交大先進產業技術研究院院長劉燕剛表示，長期以來，上海交大就對王浩偉教授團隊的納米陶瓷鋁合金項目給予了持續的大力資助和支持，同時也積極對外尋找成果落地轉化的合作條件。2013年，安徽省淮北市政府從土地、資金、政策、人才等進行了多方支持，形成了具有年產千噸級中試及生產基地，并成立了安徽相邦復合材料有限公司，使納米陶瓷鋁合金材料的量產能力能滿足在航天、航空、汽車等領域大規模應用的需求。2015年，上海交大與上海均瑤（集團）有限公司合作建設聯合研發中心，使納米陶瓷鋁合金迅速進入航空和汽車等百億以上級別的產業領域。在航空領域，目前王浩偉教授團隊已在航發、商發開展多種航空發動機葉片試驗，與中國商飛實現深度合作，劍指“新一代航空材料”；在汽車領域，轉向節已通過臺架試驗，內燃機活塞也即將量產。
“如今的四方合作將搭建一個有利于納米陶瓷鋁合金拓展應用的市場化運作平臺，建立具有自主知識產權的材料生產、產品設計、制造工藝以及使用標準等成套體系。這一科研成果的落地轉化，也是上海交大對接國家重大戰略需求、服務行業和產業發展的一次成功實踐，它將為社會和經濟發展創造更多價值。”劉燕剛說。
率先破題，打造從大學實驗室到市場的“綠色通道”
每年，全國高校有很多像納米陶瓷鋁合金這樣的優秀科研成果在實驗室中誕生。從大學實驗室到生產和市場，科技成果轉化要邁過多少級臺階？這些“高不可攀”的臺階不僅是制約我國科技創新的瓶頸，也是很多高校尚未破解的困局。
“我們需要為科研成果開辟一條‘綠色通道’，并形成有成效、可復制的經驗，讓越來越多的成果不是被鎖在實驗室里‘束之高閣’，而是走向產業化，產生更大的社會價值。”上海交大副校長吳旦介紹說，這條促進科技成果轉化的“綠色通道”，上海交大已經鋪設了十幾年。
推動科技創新與科技成果轉化有效銜接，是國家實施創新驅動戰略的迫切要求，也是體現大學服務于創新國家建設，服務于社會經濟發展的主要標志。 “王浩偉教授團隊研究開發的納米陶瓷鋁合金，是上海交大在‘十五、十一五’期間自主研發的新型鋁基復合材料，其工業化生產將引起鋁行業發生巨大的歷史性變革，同時可帶動汽車、航空、航天、電子和國防工業的技術進步及快速發展。除這一成果外，在國產C919 大型客機研發設計的過程中，上海交大與中國商飛深入合作，創新校企產學研用機制，通過‘上海市民機創新工程’和近百項科研項目支持，共建了民機先進制造工藝技術中心、民機維修工程研究中心等聯合研究平臺，共同培養了高水平、多層次、多類型的航空專門人才；特別針對 C919 大型客機的六大先進技術，雙方開展了涉及總體、結構、制造、材料、航電、人因等專業或領域科研合作，體現了上海交大服務于國家戰略，積極探索和創新校企產學研用機制和模式。” 吳旦表示，始終對接國家重大戰略需求、服務行業和產業發展是上海交大科技創新的重要使命，近年來，學校與重點企業、地方政府強強聯手、合作攻關，在各大學科領域涌現出一大批成果轉化的成功實踐，創造了豐碩的經濟和社會效益。
除積極對接國家戰略外，為促進科技成果有效轉化，上海交大還構建了完善的支撐體系。從2001至今，上海交大科技園、上海交大技術轉移中心、上海交通大學先進產業技術研究院、上海交大知識產權公司先后成立，學校將高科技產業整體規劃與區域經濟發展相結合，形成了一個以科技企業為主體，產學研相結合的創新體系。2015年《促進科技成果轉化法》實施以來，科技成果作價投資由高校自主決定，允許采用協議定價，對科技成果完成人獎勵比例不低于50%，上海交大產研院制定并發布了《科技成果作價投資實施細則（試行）》，學校科技成果作價投資工作迅速啟動，并進入高速發展時期。截止目前，學校相關典型案例已達到 13 個，在上海各個高校的科技成果作價投資案例中所占比例達到 86%左右，起到了引領和示范作用。2016年，學校相繼研究出臺《關于完善知識產權管理體系，落實的實施意見》《職務發明管理辦法》等10份文件，構建了完整的科技成果轉移轉化政策體系。通過下放科技成果使用、處置和收益權等改革措施，加大對科研人員股權激勵力度。上海交大知識產權交易額得到大幅增長，2016年交易246項，交易總額達5926.5萬元。
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