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)百萬噸的以陶瓷顆粒作為增強相的鈦基復合材料是實現(xiàn)航空航天高端裝備輕量化、提高裝備功效和武器戰(zhàn)術性能的關鍵戰(zhàn)略材料之一，在空天飛行器、火箭發(fā)動機、民用離心壓縮機等關鍵部件中擁有著巨大的應用潛力。研發(fā)低成本、高性能且技術自主可控的空天高端裝備用耐熱高強鈦基復合材料十分關鍵。

上海交通大學張荻院士、呂維潔研究員帶領團隊，經(jīng)過二十余年潛心研究，承擔國家部委、上海市、國際合作和校企合作等科研課題，形成了耐熱鈦基復合材料的制備加工關鍵核心技術，打破了國際技術封鎖、實現(xiàn)關鍵核心技術自主可控。該材料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和強度使得我國航空航天器能夠在極端苛刻的服役環(huán)境中穩(wěn)定運行，為我國的航空航天高端裝備發(fā)展提供有力支撐。相關成果獲得2023年度上海市技術發(fā)明一等獎。

基礎研究筑牢創(chuàng)新根基

傳統(tǒng)鈦基復合材料通常采用外加法生產(chǎn)，存在成本高、基體和增強體之間界面結合性能差、界面反應嚴重、成材率低的問題。研究團隊闡明了液態(tài)復合增強體晶體結構與形核生長規(guī)律，建立了原位自生增強體尺寸和形態(tài)控制的理論和方法，創(chuàng)新突破困境。此外，該材料通過復合化技術，提升了傳統(tǒng)鈦合金的性能，使其能夠應對發(fā)動機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，針對單元增強鈦基復合材料存在的強塑性匹配不佳等問題，團隊專注機理研究，提出多元增強體有序分布與耦合強化方法，構建了新的力學模型，創(chuàng)制出空天及國防用新一代輕質(zhì)高強耐熱600~800℃鈦基復合材料，其室溫和高溫條件下的各項性能指標達到了國內(nèi)領跑、國際*的水平。

精細加工實現(xiàn)社會效益

實驗室研發(fā)的新材料需要新制備工藝才能真正實現(xiàn)應用。團隊針對鈦基復合材料復雜構件難以加工成形的問題，建立了動態(tài)再結晶誘發(fā)大塑性加工技術，應對新材料加工難的挑戰(zhàn)，為空天和國防重大裝備研制并應用了千余套鈦基復合材料構件。

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域，離心式壓縮機葉輪構建原本在650攝氏度環(huán)境下無輕質(zhì)材料可用，團隊研發(fā)的構建突破制約，使葉輪線速度提高40%、壓縮比提高33.3%，裝機2MW，年節(jié)省能耗8%；空天飛行器領域更是需要在800攝氏度的復雜應力環(huán)境接受挑戰(zhàn)，新部件不僅耐高溫而且結構減重15%、轉(zhuǎn)動慣量降低36.4%，為飛行器大機動、高速、高射程等核心技戰(zhàn)指標的實現(xiàn)提供了關鍵支撐……

相關研究成果授權中國發(fā)明專利26項，制定企業(yè)標準5項，發(fā)表SCI論文100余篇；團隊還建立了國內(nèi)*鈦基復合材料企業(yè)，實現(xiàn)單錠噸級以上的鈦基復合材料產(chǎn)業(yè)化制備與生產(chǎn)，打破國際上的技術封鎖和禁運，為維護國家安全和高科技發(fā)展做出重要貢獻。

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