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材料“尖兵”助力國(guó)防

2017-07-06 23:39謝更好
科學(xué)中國(guó)人 2017年5期
關(guān)鍵詞:尖兵戰(zhàn)斗部成文

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國(guó)泰民安須思危,富國(guó)強(qiáng)兵防未然。北京理工大學(xué)教授譚成文說(shuō):“我們希望能夠通過(guò)自己的力量,為國(guó)防事業(yè),為國(guó)計(jì)民生做一點(diǎn)貢獻(xiàn)”。樸實(shí)的話(huà)語(yǔ)飽含著深沉真摯的家國(guó)情懷。

懷揣著這份情懷,譚成文一直致力于極端環(huán)境下金屬材料的研究,他在高應(yīng)變率載荷條件下高性能金屬結(jié)構(gòu)材料(鈦合金、鎳鎢合金)的微觀組織結(jié)構(gòu)演化、高純度難熔金屬(鎢、錸、鈮、鉭等)的化學(xué)氣相沉積幾個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展工作。

這些年來(lái),譚成文及其團(tuán)隊(duì)突破了空間核反應(yīng)堆熱離子燃料元件大尺寸鎢單晶涂層制備技術(shù),使我國(guó)成為繼俄羅斯之后世界上第二個(gè)可以生產(chǎn)大尺寸鎢單晶涂層的國(guó)家;研制了我國(guó)第一代超聲速導(dǎo)彈半穿甲戰(zhàn)斗部殼體高抗絕熱剪切破壞鈦合金,實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)斗部毀傷效能的跨越式發(fā)展;開(kāi)發(fā)了難熔金屬/稀貴金屬常壓化學(xué)氣相沉積制備技術(shù)及前驅(qū)體回收再利用技術(shù),打破了相關(guān)領(lǐng)域關(guān)鍵部件的國(guó)外壟斷。

天下興亡,匹夫有責(zé)

梁?jiǎn)⒊壬凇缎旅裾f(shuō)》中提到:“若無(wú)國(guó)防,則國(guó)難屢起,民將不得安其業(yè)”。當(dāng)下的中國(guó)社會(huì),經(jīng)濟(jì)文化繁榮,人民幸福,但是不容否認(rèn),社會(huì)發(fā)展過(guò)程中諸多矛盾、問(wèn)題盤(pán)根錯(cuò)節(jié),國(guó)家安全和社會(huì)安定仍然面臨諸多威脅與挑戰(zhàn)。

國(guó)防之重,重于泰山;而國(guó)防之要,要在武器。

國(guó)人一定不會(huì)忘記,萬(wàn)眾矚目的閱兵儀式上,我軍一大批新型現(xiàn)役主戰(zhàn)裝備逐一亮相,展示了強(qiáng)大的國(guó)威軍威,展示了當(dāng)代中國(guó)國(guó)力之強(qiáng)大,舉國(guó)振奮,世界為之震驚。“閱兵式上展示的先進(jìn)武器對(duì)于穩(wěn)定周邊局勢(shì),震懾?cái)硨?duì)勢(shì)力起到了非常重要的作用?!弊T成文自豪地說(shuō)道,“我們參與研制了我國(guó)第一代應(yīng)用于超聲速反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的高抗絕熱剪切破壞鈦合金,這項(xiàng)研究為我國(guó)高性能導(dǎo)彈的跨越式發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)”。

導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的有效載荷,對(duì)目標(biāo)的毀傷效能主要靠戰(zhàn)斗部的性能來(lái)保證,因此導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部對(duì)其殼體材料提出了極高的綜合性能要求。而隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,導(dǎo)彈的著靶速度正成倍地飛速提高,大量的導(dǎo)彈著靶速度已經(jīng)突破亞音速,進(jìn)入超聲速甚至超高聲速。因此,導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部殼體結(jié)構(gòu)材料處于高壓、高溫和高應(yīng)變率極端環(huán)境下,材料的力學(xué)行為與準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境顯著不同,常規(guī)的材料設(shè)計(jì)思想已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。基于此,在前輩科學(xué)家的工作基礎(chǔ)上譚成文及其團(tuán)隊(duì)提出了高速碰撞環(huán)境下應(yīng)用的金屬材料的新的設(shè)計(jì)思想和評(píng)價(jià)技術(shù),參與研制了我國(guó)第一代應(yīng)用于超聲速反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的高抗絕熱剪切破壞鈦合金。

對(duì)于鈦合金的絕熱剪切變形及斷裂破壞等的研究,國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了很多。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究工作在國(guó)際上也有相當(dāng)?shù)挠绊懥?。但之前的研究多集中于基礎(chǔ)的材料學(xué)及力學(xué)問(wèn)題,而與具體應(yīng)用的結(jié)合很少。

“研究初期,我們遇到了較大的困難,可以說(shuō)屢受挫折。”譚成文說(shuō)道。早期所用的研究材料總是不能達(dá)到預(yù)期,而且時(shí)間緊張,任務(wù)艱巨,團(tuán)隊(duì)的每一個(gè)人壓力都很大。這種情況下,譚成文和他的團(tuán)隊(duì)只能不斷嘗試,一次又一次重新來(lái)過(guò),他們幾乎將幾十年該領(lǐng)域的研究成果重新梳理一遍,從中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

在研究過(guò)程中,譚成文和他的團(tuán)隊(duì)選用了多種不同組織和組織細(xì)節(jié)的鈦基合金作為研究對(duì)象,研究其絕熱剪切變形斷裂行為,并且為了更全面地對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行探討,甚至選用了同樣是六方結(jié)構(gòu)的鎂合金和其他類(lèi)型鈦合金進(jìn)行對(duì)比研究。

譚成文說(shuō),“這個(gè)研究過(guò)程盡管艱辛卻有著重要的意義,只有在研究過(guò)程中,我們才能對(duì)自己的研究結(jié)果逐步清晰”。他們發(fā)現(xiàn)了相對(duì)于層片組織的鈦基合金,具有雙態(tài)組織的合金抗絕熱剪切破壞能力更強(qiáng);探索出了組織細(xì)節(jié)(如板條寬度、纖維取向等)對(duì)于鈦基合金中絕熱剪切現(xiàn)象的影響;揭示了具有等軸、雙態(tài)及層片組織鈦基合金中絕熱剪切帶的分叉、交截等作用規(guī)律,并建立了絕熱剪切帶分又及交截作用過(guò)程模型;發(fā)現(xiàn)鈦合金在沖擊環(huán)境下的一種主要破壞方式(層裂)與絕熱剪切現(xiàn)象并無(wú)必然聯(lián)系。正是這些研究發(fā)現(xiàn),最終幫助譚成文和他的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了突破創(chuàng)新。

此外,還有其他一些困難,比如對(duì)鈦合金絕熱剪切帶相互作用規(guī)律研究過(guò)程中,需采用透射電子顯微鏡對(duì)某些特定位置進(jìn)行觀察研究,但是,采用傳統(tǒng)的透射電子顯微鏡試樣制備方法無(wú)法達(dá)到精確定位的要求。為了解決這個(gè)困難,譚成文和他的團(tuán)隊(duì)積極奔走,在與外單位的協(xié)調(diào)和合作中,選用了先進(jìn)的聚焦離子束方法精確制備透射電子顯微鏡試樣,試樣質(zhì)量及制備效率均較高,最終滿(mǎn)足了研究所需。

正所謂功夫不負(fù)有心人,正是這樣一步步的研究探索,在失敗中不斷嘗試并勇于創(chuàng)新,譚成文和他的團(tuán)隊(duì)圓滿(mǎn)完成任務(wù),最終研制了我國(guó)第一代超聲速導(dǎo)彈半穿甲戰(zhàn)斗部殼體鈦合金,此方向獲國(guó)防科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。

近期,譚成文和他的團(tuán)隊(duì)又研制了戰(zhàn)斗部用鎳基高強(qiáng)韌合金等新型材料,克服了高速鉆地戰(zhàn)斗部采用超高強(qiáng)度鋼侵徹能力不足的問(wèn)題,是未來(lái)超高聲速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的優(yōu)良備選材料。

先賢顧炎武早就發(fā)出了“天下興亡,匹夫有責(zé)”的吶喊,譚成文和他的團(tuán)隊(duì)可謂身體力行。在自己的研究領(lǐng)域,他們肩負(fù)起天下興亡的匹夫之責(zé),并且從未止步。

國(guó)計(jì)民生,家國(guó)情懷

隨著我國(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展,飛行器對(duì)電源的要求越來(lái)越高。從衛(wèi)星對(duì)電源功率的需求考慮,已從最初的幾十瓦發(fā)展到目前的幾十千瓦甚至更高,并且每過(guò)十年電源功率需翻一翻。目前可知的能適合大功率長(zhǎng)壽命衛(wèi)星應(yīng)用的電源只有太陽(yáng)能和核能電源。

譚成文說(shuō):“未來(lái)的太空武器需要更大功率(幾百千瓦直至兆瓦級(jí))的電源,熱離子空間反應(yīng)堆電源就成為首選電源之一?!睙犭x子空間反應(yīng)堆電源具有功率/質(zhì)量、功率/體積和功率/面積比高,并具有短期功率提升能力,適用于用作中低軌道的大功率軍用偵察衛(wèi)星、海洋監(jiān)視衛(wèi)星、軍用通信衛(wèi)星。由于其表面積小、質(zhì)量輕,因此姿態(tài)控制比用電池陣的太陽(yáng)能電源的衛(wèi)星要穩(wěn)定,能使偵察目標(biāo)的定點(diǎn)更精確,衛(wèi)星照片更清晰。此外還有衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)性,戰(zhàn)時(shí)生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。如果和電火箭配合,可進(jìn)行衛(wèi)星的變軌。

目前,俄羅斯在此領(lǐng)域處于國(guó)際上的領(lǐng)先水平,是世界上唯一實(shí)現(xiàn)熱離子空間反應(yīng)堆電源應(yīng)用的國(guó)家。我國(guó)于上世紀(jì)70年代即開(kāi)展了此領(lǐng)域的研究工作,但受制于基礎(chǔ)工業(yè)落后的限制一直未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,其中陰極鎢單晶涂層制備技術(shù)未能突破是主要的原因之一。

“我們通過(guò)與兄弟單位密切合作,實(shí)現(xiàn)了鎢單晶涂層化學(xué)輸運(yùn)沉積制備技術(shù)的根本性突破,使我國(guó)成為繼俄羅斯后世界上第二個(gè)擁有此技術(shù)的國(guó)家,為我國(guó)大功率長(zhǎng)壽命空間核電源的研制提供了關(guān)鍵材料奠定了重要基礎(chǔ)”。

譚成文說(shuō):“我們一直致力于材料研究,國(guó)防應(yīng)用是其中的一部分,我們也在更多地思考,希望將研究成果更多地推廣到民用領(lǐng)域,能為國(guó)計(jì)民生貢獻(xiàn)自己的力量”?;谶@樣的研究目標(biāo),譚成文和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了高熔點(diǎn)金屬鎢、鉬、鈮、鉭、鉑和銥等異形、薄壁、多孔制品常壓化學(xué)氣相沉積制備技術(shù),成功應(yīng)用于核工業(yè)、航空、航天和生物醫(yī)用等重要領(lǐng)域。

高熔點(diǎn)金屬材料構(gòu)件通常采用粉末冶金成形,但是航空、航天等領(lǐng)域通常應(yīng)用的是復(fù)雜的異形件、薄壁件或涂層,生物醫(yī)用領(lǐng)域則多采用多孔形式,采用粉末冶金成形工藝幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。譚成文教授及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)十余年的不懈努力,突破了氟化物前驅(qū)體制備技術(shù)、化學(xué)氣相沉積難熔金屬制品高效制備技術(shù)、貴金屬循環(huán)利用技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),成功制備了鎢薄壁加熱體、錸/銥復(fù)合噴管樣件、Pt/Al和MoSi2抗氧化涂層、多孔鉭種植體樣件等多種高端難熔金屬制品,并逐漸推向市場(chǎng)應(yīng)用,將很快結(jié)束國(guó)外在相關(guān)領(lǐng)域的壟斷。

譚成文和他的團(tuán)隊(duì)一直秉承著這份家國(guó)情懷從事科學(xué)研究,在科技強(qiáng)國(guó),國(guó)防強(qiáng)國(guó)的路上,他們一直在努力。

傳道授業(yè),科教興邦

“我除了是一名科研人員,還是一名大學(xué)教師?!弊T成文說(shuō)道,“個(gè)人的科研力量是非常有限的,我真正希望的是培養(yǎng)一批國(guó)防材料領(lǐng)域的尖端人才,讓他們真正實(shí)現(xiàn)科教興邦的理想。”

如今,譚成文在北京理工大學(xué)擔(dān)任教授,帶領(lǐng)著自己的科研團(tuán)隊(duì),邊做科研,邊教書(shū)。

對(duì)于本科生的教學(xué),譚成文表示:“要盡可能培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,夯實(shí)基礎(chǔ)”。譚成文對(duì)于教學(xué)工作極為認(rèn)真,多年來(lái)一直承擔(dān)本專(zhuān)業(yè)核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的講授,并盡可能將理論結(jié)合科研實(shí)踐深入淺出地教授給學(xué)生,便于學(xué)生接受。

他常常與學(xué)生溝通,解答學(xué)生在專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)中的困惑,幫助學(xué)生解決實(shí)踐中遇到的問(wèn)題,注意發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)潛在人才?!坝行﹥?yōu)秀的大三學(xué)生,我會(huì)讓他們參與到科研當(dāng)中”譚成文說(shuō):“較早接觸科研實(shí)踐,能夠幫助他們打好科研的基礎(chǔ),幫助他們更快地成長(zhǎng)?!笔聦?shí)證明,本科生在科研實(shí)踐中的表現(xiàn)是非常優(yōu)秀的,在他課題組走出的本科生很多進(jìn)入國(guó)內(nèi)外最好的大學(xué)繼續(xù)深造。

另外,在譚成文的科研團(tuán)隊(duì)成員中,除了知名的前輩、教授、各領(lǐng)域?qū)<抑?,還有博士生、研究生?!皩?duì)于博士生、研究生的培養(yǎng),我更希望他們接觸最前沿的知識(shí)和信息,培養(yǎng)他們獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力?!弊T成文這樣說(shuō)道。

在科研項(xiàng)目的研究過(guò)程中,譚成文很注意對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)和鼓勵(lì)。他常常和學(xué)生一起動(dòng)手實(shí)踐,一起討論問(wèn)題,傾聽(tīng)學(xué)生的見(jiàn)解,和他們分享自己的心得。譚成文表示,“我喜歡和他們一起動(dòng)手實(shí)踐,在科研中我們是最快樂(lè)的”。

在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中,大家分工明確,又團(tuán)結(jié)合作,科研氛圍活潑有序,遇到問(wèn)題大家一起解決,有了成果大家一起分享喜悅。學(xué)生不僅可以與該領(lǐng)域?qū)<医涣鲗W(xué)習(xí),還可以獨(dú)立思考,動(dòng)手實(shí)踐,在科研過(guò)程中邊學(xué)習(xí)邊成長(zhǎng)。他的學(xué)生表示“正是在科研中不斷實(shí)踐,不斷嘗試,不斷解決新的問(wèn)題,讓我們感受到了科研的快樂(lè)”,在這種培養(yǎng)模式下,學(xué)生成長(zhǎng)進(jìn)步很快。

“教書(shū)育人,對(duì)于我而言,是一份責(zé)任”。在譚成文看來(lái),國(guó)防材料領(lǐng)域的科研、教學(xué)工作,最終目的是解決國(guó)防需求,為國(guó)計(jì)民生培養(yǎng)尖端人才??平膛d國(guó)是幾代人的夢(mèng)想,而他,正走在實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的道路上。

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