2000℃的環境下，鐵已熔成液體，有人想到變通辦法，在鐵表面鍍一層“膜”——可以勝任高達2000℃以上超高溫氧化環境的陶瓷材料。但問題接踵而至，現有試驗機的夾具和壓頭材料本身難以承受1500℃以上的超高溫氧化極端環境，如何評價材料的可靠性？這個問題曾經難倒了我國科研人員，也包括國際同行。

　　如今，問號已經拉直。

　　1月9日，在2014年度國家科技獎勵大會上，中國建築材料科學研究總院博導、中國建材檢驗認證集團（CTC）首席科學家包亦望教授和他的團隊憑藉“結構陶瓷典型應用條件下力學性能測試與評價關鍵技術及應用”捧得國家科技進步二等獎。

　　缺失的極端環境下材料評價方法

　　2003年，包亦望還在中科院金屬所做“百人計劃”研究，所裏一位研究人員找到他，尋問有沒有陶瓷複合構件界面強度的評價方法。這個問題來源於工程實踐。

　　之所以找到包亦望，不僅因為他是有名的“點子王”，更重要的是，解決這個世界性難題已經越來越迫切。

　　結構陶瓷具有高強耐磨、抗腐蝕、耐高溫等許多優異性能，因此被廣泛應用於航空航太、機械、石油化工和建築等高技術領域。

　　但陶瓷本身是脆性的，具有“寧碎不屈”的特點，服役中的陶瓷及構件容易發生突發性災難事故，故又成為最不安全的材料。

　　時隔近30年，1986年的“挑戰者”號太空梭災難仍被多次提及，剛起飛73秒，太空梭發生解體，機上7名機組人員喪命。這次災難性事故導致美國太空梭飛行計劃被凍結了長達32個月之久。最終調查發現，原因之一是陶瓷隔熱瓦與母體界面脫粘後失去隔熱能力，導致價值12億美元的太空梭被炸成碎片。

　　如果能對結構陶瓷力學性能做出準確評價，不僅可以保證構件安全可靠，還能對其失效時間做出預測。

　　但由於涂層與基體間難以剝離作為單質材料進行測試，如何評價材料的可靠性是一項國際難題。

　　包亦望告訴記者，具體來説，難題體現在四個方面：界面問題：陶瓷複合構件界面強度和不同環境下的服役安全評價；異型件：管狀或環形陶瓷構件的力學性能無法參照現有標準和檢測技術；陶瓷涂層：熱障涂層、耐磨涂層的模量或強度無法直接測試；極端環境：超高溫氧化環境下陶瓷性能評價無技術，無標準，無測試設備；構件性能預測：通過表面痕跡和接觸響應非破壞性的監測和預測構件可靠性。

　　“因為評價標準缺失，目前大多采用‘犧牲層’的辦法。”CTC研究中心副主任萬德田解釋，所謂“犧牲層”，是指本來只要10毫米的涂層，被加厚到了15—20毫米，這樣雖然安全系數提高了，代價是飛行器重量也提高了，成本隨之增加。

　　隨著航太、航空、航海、化工、冶金等工業的快速發展，準確評價涂層材料力學性能顯得越來越緊迫和重要。

　　中國工程院院士杜善義曾經説過，超高溫試驗是一個很複雜的技術問題，每一系統的建立難度都很大，但我國航空航太工業的發展需要建立超高溫測試技術。

　　“雕蟲小技”解決大難題

　　“方法非常簡單，在外行看來可能就是雕蟲小技。”但包亦望説，這其中最難的是首先要想到捅破那一層窗戶紙的方法，而這得建立在大量分析計算基礎上。

　　隨手翻開一本筆電，除了看似簡單的圖示，就是密密麻麻的計算式。

　　“有時候為了一個小公式，花幾個月推導都是正常的。”經過長達十多年的研究，包亦望和團隊不斷試驗，反覆採集整理數據，發明瞭一系列評價新技術。

　　陶瓷材料難以直接進行拉伸載荷試驗，如何測得界面拉伸強度和界面剪切強度？傳統的測試方法將試驗樣品疊加或者拼接，然後在疊加處或拼接處施力，但都無法獲得界面拉伸強度。

　　“十字交叉法”提出，將兩根矩形截面短棒以十字交叉方式粘接成測試樣品，設計專用帶槽夾具和圓弧形壓頭，分別測得界面拉伸強度和界面剪切強度。

　　這項技術適用任何固相材料之間的界面強度和疲勞性能評價，並可推廣到各種高強粘接劑的強度和耐久性評價，此方法一經推廣，受到國內外無機材料檢測領域專家的讚賞。

　　但新課題又來了。

　　不是所有産品的樣品都能加工成常規的矩形截面，而這類産品的應用範圍又很廣，如模擬核爆用石英玻璃管，光纖套管，火箭或導彈的尾噴管，石油化工用防腐內壁管等。

　　“缺口環法”能簡單、方便、快捷的評價管狀和環狀脆性材料的基礎力學性能。

　　“無需特殊的夾具，節省了大量的試驗經費和時間。”包亦望説。

　　“相對法”則是通過已知或容易測量的材料參數去計算出無法直接測量的未知參數。

　　“這就好比即使沒有秤砣，只要知道一公斤白糖在桿秤的什麼位置，就能稱出同樣品質的其他物質。”包亦望説，這解決了陶瓷涂層的基礎力學評價問題。此前涂層材料力學性能測試基本上空白，世界各國都在尋求測試技術。

　　試驗證明該方法簡單、準確、可靠達到事半功倍的效果，解決了熱障涂層、防腐涂層和耐磨涂層等力學性能測試的空白。

　　“局部受熱同步載入法”解決了超高溫氧化環境下測試的國際難題。

　　“痕跡法”則有點類似于“中醫號脈”，通過分析試驗後樣品殘余壓痕痕跡的形貌和尺寸，推測出幾乎全部的材料力學性能。該方法受到國內外專家的高度讚賞，國際評審專家認為“這項工作確實是對奈米壓痕技術的一個新貢獻”，並在國際綜述文獻裏被稱為“BWZ method”（其中B指包亦望）。

　　主導制定國際標準提高話語權

　　建立方法、發明技術，包亦望和團隊不滿足於此，近年來一直致力於將技術轉化為國家標準和國際標準。

　　“國際標準的形成過程是一個博弈過程，體現了技術、産業乃至國家的綜合影響力和話語權，是市場的競爭源頭，為此國際上對標準的競爭極為激烈。”包亦望印象深刻的是將“相對法”形成國際標準中的波折。

　　2007年，包亦望將發明的“相對法”在國際刊物發表，受到國際同行的高度認可，實驗證明該方法簡單、準確、可靠。此前雖然國內外有用奈米壓痕技術來評價陶瓷涂層的彈性模量，但反映的僅僅是局部甚至某晶粒的性能，只對理想均勻緻密材料有效，而且設備昂貴，尚不能測量涂層的強度。

　　2013年，ISO組織向全世界徵求陶瓷涂層測試技術時， “相對法”評價技術與日本提出的類似國際標準草案形成競爭，最後交由ISO顧問Peter（皮特）先生仲裁，由於相對法具有原創性，適用範圍更廣泛，最後被成功立項。

　　利用自主智慧財産權轉化成的國際、國內及行業標準，已被用於1000多家陶瓷企業和軍工企業的相關産品各項力學性能檢測與分析，經濟效益數億元。

　　包亦望認為，標準的社會效益意義更重大。大量性能檢測方面的標準技術的制定，對於促進工程陶瓷和玻璃行業健康發展、無機非金屬材料力學性能的學科發展、切實保障老百姓生命財産安全方面具有重要意義。

　　2007年，包亦望向ISO組織提交的以“十字交叉法”技術為基礎的國際標準獲得一致通過，在此前的陳述環節中，他提出的創新性、實用性受到高度關注，與會的六七個國家代表找到包亦望，反映該標準簡潔明瞭，並找他要PPT，提出在自己的國家先用。

　　不將技術裝在口袋裏

　　讓科技成果落地開花，而不是將技術裝在口袋裏。

　　有別於大多數科研工作者，包亦望不僅建立了很多創新的理論，還能將抽象的理論轉化為可操作的方法與技術，並通過儀器設備這種載體來實現，反過來，自主研發的科學儀器設備又成為産生新觀點的重要工具。

　　在中國建築材料科學研究總院的實驗室裏，龐大的超高溫極端環境力學測試系統塞滿了約40平米的屋子。

　　“該系統是國際上唯一針對陶瓷、複合材料的超高溫力學性能測試儀器，溫度最高可達2200℃，已經為多家合作單位進行了材料的超高溫測試試驗，解決了材料的超高溫力學性能評價技術難題。”萬德田言語間透出自豪，他告訴記者，以近地空間用超高聲速飛行器為例，該系統可為飛行器所用特種材料的服役安全和結構設計提供重要技術支撐，此外還有助於低成本選材。

　　超高溫氧化耦合極端環境下，航太、航空飛行器的週邊材料，如發動機和噴火管等處材料的安全性性能評價和設計至關重要。現有試驗機的夾具和壓頭材料本身難以承受1500℃以上的超高溫極端環境，這樣使得材料的力學性能試驗樣品無法測試。該系統就是包亦望和團隊運用“局部受熱同步載入法”生産出來的。

　　包亦望教授率領他的團隊不斷攻克難題，從理論到技術、從實驗到裝置，發明瞭一套評價材料在極端超高溫氧化環境下的力學性能測試方法與評價技術，開發了國際上首臺“材料超高溫力學性能測試系統”，並獲得863計劃和首批國家重大科學儀器設備開發專項的支援。

　　這些年，包亦望和團隊將取得的理論成果和新方法、新技術轉化為一系列有特色的儀器設備，包括常溫和高溫固體材料彈性模量測試儀、安全玻璃衝擊失效檢測儀、多功能零能耗鋼化玻璃檢測器、鋼化玻璃表面平整度測試儀、鋼化玻璃缺陷和自爆風險檢測儀、硬脆材料性能檢測儀、幕墻鬆動脫落風險測試儀等，這些儀器設備有的已經進入國內多所高校和科研機構的實驗室，成為科研工作者探索科學的有力工具。