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我国自主研发测试仪器打破欧美技术垄断

导读: 在李卫国团队的努力下,测试版仪器已经完成。这一设备的研制,将会广泛应用于对热障材料、环境障涂层的性能检测,相当于为高温材料应用又增加了一道保障。

在我国陶瓷制作工艺中,软软的陶泥在高温烧制之后,就会变成硬度较高的精美陶瓷;在日常生活中,如果用塑料勺炒菜,遇到高温塑料会慢慢变软。这可能是我们对温度会影响材料力学性征最朴素的认知,但是什么类型的材料在什么温度和强度下,会发生怎么样的变化我们似乎还一知半解。

在重庆大学航天航空学院教授李卫国眼里,这些材料力学行为随温度的演化都可以用理论模型进行预测。他的最新研究成果是,在明确温度这一单一变量的状况之下,就可以预测出相关材料的力学行为和强度性能,其成果被国内外学者认为是该领域的重大突破,为进一步促进我国航空航天、能源及核工业等高新技术领域发展作出了贡献。

创造性提出无拟合参数的“温度相关性理论模型”

随着现代科技的快速发展,拓展服役条件的需求愈发强烈,材料在超常条件下的性能成为研究的热点和难点。拿航空航天领域来讲,飞行器在高速运行时温度可达3000摄氏度以上,那么在这样的高温条件下,什么样的材料才能满足这么苛刻的使役需求,以及其力学行为会发生怎样的变化?这些问题都一直困扰着科研工作者,也制约着我国相关领域的发展。

李卫国自2005年在清华大学做博士后研究工作起,便开始从事超高温极端条件下固体力学行为与强度理论的研究。“那时候,我国还没有建立起材料性能和相关温度之间的定量关系,要测试一个材料在什么温度下会发生断裂或者变形,只能靠实验。”李卫国说,实验不仅耗时耗力,最为关键的是成本太高。之后,建立基于物理机理的高温强度理论预测模型成了李卫国最大的课题。

为了攻克这一难题,李卫国搜集整理了各类实验数据,夜以继日地对数据进行归类分析。经过不懈努力,创造性地提出了材料性能温度相关性建模思想,突破了温度对现有强度理论模型的禁锢,并首次针对超高温陶瓷材料建立了不包含任何拟合参数的温度相关性断裂强度理论表征模型。

无拟合参数意味着什么?诺贝尔物理学奖获得者列夫·达维多维奇·朗道说过:“一个模型的价值随它包含的拟合参数的数目成指数级下降”。李卫国教授提出的模型,不需要任何拟合参数,突破了原有高温理论模型对于拟合参数的需求,大大降低了研究高温力学行为的实验难度,同时提高了实验结果的准确度。

自主研发测试仪器打破欧美技术垄断

说起全世界的航天事业,总是不能忽略伟大而悲怆的哥伦比亚号航天飞机。1981年首次发射,揭开了世界航天史上新的一页。2003年2月1日,哥伦比亚号航天飞机在经过大气层时产生了高达1400摄氏度的热空气,致使机翼出现裂隙,超高温气体进入机体,最终在空中爆炸解体,7名宇航员全部遇难。而哥伦比亚号航天飞机使用的热防护材料正是由陶瓷材料构成的。

近年来我国对飞行器热防护材料强度的研究从未间断过,但仍然存在很多亟待解决的难题。“特别是欧美等国家的技术垄断,让我们更加迫切希望在这一领域拥有属于自己的技术。”为此,李卫国开始了漫漫“取经路”。

在诸如航空航天、能源勘测等领域,材料所经受的超长环境是复杂多变的,可能是高温状态,也可能是极寒温度,可能氧气富足,也可能氧气稀薄。鉴于此,在之前提出的“温度相关性强度模型”的基础上,李卫国研制了一种测试仪器,通过建立三个不同的环境模块,让试件在不同的环境模块间切换,以此来模拟复杂热冲环境对材料的影响。

现在,在李卫国团队的努力下,测试版仪器已经完成。“接下来,我们将通过实验对设备进行完善改进,希望研制出能够测试各种复杂环境的仪器,助力我国航天事业的发展。”李卫国表示,这一设备的研制,将会广泛应用于对热障材料、环境障涂层的性能检测,相当于为高温材料应用又增加了一道保障。“真金不怕火炼”,经过这样高标准的测试检测能保持原有性能的高温材料,才能经得住现实复杂冲击环境的考验,为国家航空航天等关键领域提供安全保障。

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