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第21章 张立同 航空航天材料专家

张立同(1938.4—),四川重庆人,航空航天材料专家,中国工程院院士。1956年考入北京航空学院热力加工系,1958年到西北工业大学热加工系铸造专业学习,1961年毕业于西北工业大学,并留校任教。曾任西北工业大学铸造教研室副主任、超高温复合材料实验室学术委员会主任等职。近十多年来,从事航空航天高温陶瓷及其复合材料研究,在氮化硅结合碳化硅、自增韧碳化硅、定向自生共晶硼化物复合材料、硅碳氮纳米吸波材料以及连续纤维增韧钡长石复相玻璃陶瓷复合材料等方面均取得新突破。特别在连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料及其制造技术方面,打破国际封锁,建立了具有我国自主知识产权的制造技术与设备体系,多种构件成功通过验证,获2004年国家技术发明一等奖,授权国家发明专利12项。早期在近净形熔模铸造技术基础及其专用高温陶瓷材料与应用方面,解决了多项重大技术关键,获国家科技进步一、二、三等奖4项。1995年当选中国工程院院士。

1956年张立同以第一志愿考入北京航空学院热力加工系。1958年9月,随国家院系调整,她来到西北工业大学热加工系铸造专业学习。结束了5年紧张的大学生活,她没有回北京,选择了西北工业大学。从此,张立同在西北这块沃土上开始了她几十年的奋斗征程。

20世纪70年代初,发达国家已将一些重要的涡轮叶片生产由锻造改为无余量熔模精密铸造,叶片的工作面无须加工就可达到所要求的尺寸精度和表面粗糙度。当时,我国的熔模铸造技术还十分落后,即使增加抛光余量的叶片,变形报废率仍高达30%~50%。怀着对祖国的挚爱,对科学的追求,以及强烈的忧患意识使张立同勇敢承担了“高温合金无余量熔模精密铸造叶片新工艺研究”课题。

经费有限,仪器奇缺,资料空白,怎么办?她与工厂技术人员、工人一起跟班生产,亲自测量了上千个叶片在十余道工序中的尺寸变化规律,测定了叶片在浇注过程中的温度场变化。同时,她和同事一起,自己动手研制了成套“熔模铸造用陶瓷型壳高温性能”的测试仪器,获得了陶瓷型壳高温性能变化的大量数据。经过半年不分昼夜的工作,从获得的数万个数据的分析中,她发现了刚玉陶瓷型壳的高温软化变形机理和叶片的铸造热应力变化的特点,终于寻找到叶片变形规律,首次从理论上全面揭示了航空发动机涡轮叶片在熔模铸造过程中的变形规律和本质,为无余量精铸工艺研究提供了重要理论依据。她领导课题组全面铺开了“无余量熔模精密铸造新工艺”的研究工作。

为了搞清刚玉陶瓷型壳的变形问题和寻找新材料,她刻苦攻读陶瓷专业的理论知识,四处调研,在国内率先提出发展“具有优良中温抗蠕变性”的高岭土陶瓷型壳材料替代昂贵的电熔刚玉的思路,先后研制成功上店土、峨边土等新型陶瓷型壳材料,成功地解决了困扰航空熔模铸造生产十几年的刚玉型壳高温变形问题。她还揭示了熔模铸造模料组成、微结构与性能的关系,研制成功一系列高性能模料,研究发展了保温壳体新工艺和低热应力熔铸工艺等。1976年用这种工艺铸造出我国第一个无余量叶片,验证了无余量工艺材料的潜力。

张立同跑遍了铜川矿区,没有设备仪器自己研制,开发的高温强度、透气性、膨胀、抗蠕变、表面润湿仪等十多种材料性能测试仪填补了国内空白。1980年,用铜川上店土型壳材料铸造成功我国第一批高精度、低粗糙度的斯贝低压一级无余量空心导向叶片。他们的无余量铸造工艺研究成果得到国际认可,终于使我国的熔模铸造水平进入了国际先进行列,这为发展我国新型发动机复杂内腔叶片及薄壁复杂整体构件的生产奠定了理论和工艺基础。铜川上店土型壳材料,也被正式命名为“中华高岭土型壳材料”。随后,张立同又带领课题组接连突破了“铝合金石膏型熔模铸造”和“高温合金泡沫陶瓷过滤技术”等航空重大课题的技术关键,1985年一举获得国家科技进步一、二、三等奖3项。

1987年,张立同根据国际航空航天材料的发展趋势和从事高温陶瓷材料研究的基础,又提出发展航空航天高温结构陶瓷的新方向。1989年4月,张立同作为高级访问学者来到美国NASA空间结构材料商业发展中心的实验室,她是进入该实验室的唯一大陆学者,承担了美国未来大型空间站结构用连续纤维增韧陶瓷基复合材料的探索研究工作。

1991年1月,张立同怀着报效祖国的强烈愿望,带着国外的研究成果回到西工大。近两年的国外研究经历使她更明确了航空航天用结构陶瓷一定是高可靠性的,更坚定了发展“具有类似金属断裂行为的连续纤维增韧高温陶瓷基复合材料”的决心和占领这一高技术领域的信念。为了在我国发展连续纤维增韧高温陶瓷基复合材料,她到处呼吁,四处奔走,争取经费,却没有得到支持。张立同和她的团队非但没有灰心,反而在经费十分困难的情况下因陋就简自制了一台热压机。1992年的冬天西安特别冷,为了调试热压炉,他们在冰冷的实验室度过了春节。功夫不负有心人,课题组很快在热压自增韧氮化硅性能上取得突破性进展。他们师生五六人夜以继日地泡在实验室做试验,却做不出一炉性能合格的试样,“九五”课题中期检查时,差点被亮了黄牌。失败更增加了强者的斗志,他们先后做了4代CVI设备,试验了400余炉次,整整用了3年时间,终于在1998年底制备出第一批性能合格的试样。又经不断改进,于1999年全面突破了碳化硅陶瓷基复合材料制造工艺与设备的一系列核心关键技术,材料的性能达到国际先进水平,从此打破了西方国家对我国的技术和设备封锁,获得了6项国家发明专利,形成了具有独立知识产权的制造工艺及设备体系,建成我国第一个超高温复合材料实验室,使我国一跃成为继法国和美国之后,全面掌握碳化硅陶瓷基复合材料CVI制造技术及其设备的第三个国家。

张立同和她的研究群体在胜利面前没有止步,先后又获得国家安全重大基础研究、国家“863”和国防基础研究等十余项国家项目的支持,建立了跨学科的合作队伍。为满足国内外对碳化硅陶瓷基复合材料迅速增长的需求,已逐步形成了基础研究、应用研究和应用开发相融合的发展链条,发展产业、降低成本、建立中国品牌,以解决“用得起”的问题,使超高温复合材料实验室正在向名副其实的国际化实验室迈进。

严谨的治学思想、辩证的治学观点、创新的治学态度结出累累硕果,张立同培养的硕士生有70%攻读了博士学位,指导的30多名研究生中,大部分已在各自岗位上独领风骚。在治学的道路上,张立同以一位严师著称,在日常生活中,她又是一位值得尊敬的慈母,她以女性特有的细心给了每位学生母亲般的关爱。她的一位新婚不久的女博士在一天晚上下班回家的路上和丈夫双双出了车祸,当这位博士生醒过来得知自己的丈夫已永远地离开自己后,悲痛欲绝,对生活完全失去了信心,张立同从她住院到出院一直不停地开导、安慰,终于使这名学生重新树立起了生活的信心,并圆满完成了学业,获得了博士学位。她的学生们说,像这样的事例实在太多太多了。

在张立同的精心培养下,她的课题组已建立起一支由年轻博士组成的高素质学术梯队,其中一人获得国家杰出青年科学基金,一人获教育部高校青年教师奖,两人获国务院政府特殊津贴,两人获教育部跨世纪优秀人才基金资助,一人获国防科工委委属高等院校优秀教师,一人获国防“511人才工程”学术技术带头人。“八五”、“九五”期间,张立同的课题组共承担了国家部委26项课题。张立同先后主持国家和部委级重大和重点项目30余项,获国家科技进步一、二、三等奖共4项,省部级一、二等奖13项,获准发明专利6项,发表论文260余篇,其中张立同率领的科技创新团队在“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术研究”领域的成果,获得2005年3月我国连续6年空缺的国家技术发明一等奖两项之一的殊荣。张立同还先后获全国三八红旗手、部级优秀研究生导师、国家级有突出贡献中青年科技专家等荣誉称号,光荣地当选为第九届全国人大代表和陕西省第九届人大常委。

张立同1995年当选中国工程院院士。

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