相較傳統(tǒng)高溫合金，在同等體積下可減重40%以上、每年節(jié)省燃料數(shù)百萬(wàn)噸的以陶瓷顆粒作為增強(qiáng)相的鈦基復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)航空航天高端裝備輕量化、提高裝備功效和武器戰(zhàn)術(shù)性能的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料之一，在空天飛行器、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、民用離心壓縮機(jī)等關(guān)鍵部件中擁有著巨大的應(yīng)用潛力。研發(fā)低成本、高性能且技術(shù)自主可控的空天高端裝備用耐熱高強(qiáng)鈦基復(fù)合材料十分關(guān)鍵。

上海交通大學(xué)張荻院士、呂維潔研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)二十余年潛心研究，承擔(dān)國(guó)家部委、上海市、國(guó)際合作和校企合作等科研課題，形成了耐熱鈦基復(fù)合材料的制備加工關(guān)鍵核心技術(shù)，打破了國(guó)際技術(shù)封鎖、實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控。該材料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和強(qiáng)度使得我國(guó)航空航天器能夠在極端苛刻的服役環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，為我國(guó)的航空航天高端裝備發(fā)展提供有力支撐。相關(guān)成果獲得2023年度上海市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

基礎(chǔ)研究筑牢創(chuàng)新根基

傳統(tǒng)鈦基復(fù)合材料通常采用外加法生產(chǎn)，存在成本高、基體和增強(qiáng)體之間界面結(jié)合性能差、界面反應(yīng)嚴(yán)重、成材率低的問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)闡明了液態(tài)復(fù)合增強(qiáng)體晶體結(jié)構(gòu)與形核生長(zhǎng)規(guī)律，建立了原位自生增強(qiáng)體尺寸和形態(tài)控制的理論和方法，創(chuàng)新突破困境。此外，該材料通過(guò)復(fù)合化技術(shù)，提升了傳統(tǒng)鈦合金的性能，使其能夠應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器零部件面臨的更高溫度和沖擊載荷的挑戰(zhàn)，提高了飛行器的性能和可靠性。呂維潔介紹，針對(duì)單元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料存在的強(qiáng)塑性匹配不佳等問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)專注機(jī)理研究，提出多元增強(qiáng)體有序分布與耦合強(qiáng)化方法，構(gòu)建了新的力學(xué)模型，創(chuàng)制出空天及國(guó)防用新一代輕質(zhì)高強(qiáng)耐熱600~800℃鈦基復(fù)合材料，其室溫和高溫條件下的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)跑、國(guó)際*的水平。

精細(xì)加工實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益

實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的新材料需要新制備工藝才能真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)針對(duì)鈦基復(fù)合材料復(fù)雜構(gòu)件難以加工成形的問(wèn)題，建立了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶誘發(fā)大塑性加工技術(shù)，應(yīng)對(duì)新材料加工難的挑戰(zhàn)，為空天和國(guó)防重大裝備研制并應(yīng)用了千余套鈦基復(fù)合材料構(gòu)件。

一組數(shù)據(jù)體現(xiàn)新材料發(fā)揮的巨大作用——在民用大型能源化工裝備領(lǐng)域，離心式壓縮機(jī)葉輪構(gòu)建原本在650攝氏度環(huán)境下無(wú)輕質(zhì)材料可用，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的構(gòu)建突破制約，使葉輪線速度提高40%、壓縮比提高33.3%，裝機(jī)2MW，年節(jié)省能耗8%；空天飛行器領(lǐng)域更是需要在800攝氏度的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境接受挑戰(zhàn)，新部件不僅耐高溫而且結(jié)構(gòu)減重15%、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低36.4%，為飛行器大機(jī)動(dòng)、高速、高射程等核心技戰(zhàn)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了關(guān)鍵支撐……

相關(guān)研究成果授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利26項(xiàng)，制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)，發(fā)表SCI論文100余篇；團(tuán)隊(duì)還建立了國(guó)內(nèi)*鈦基復(fù)合材料企業(yè)，實(shí)現(xiàn)單錠噸級(jí)以上的鈦基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化制備與生產(chǎn)，打破國(guó)際上的技術(shù)封鎖和禁運(yùn)，為維護(hù)國(guó)家安全和高科技發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。