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21年的漫漫日本留学生涯,他从博士研究生成长为蜚声海内外的熔铸和材料专家,收获了令人瞩目的荣誉和鲜花;然而,受邀回国参加了国庆60周年的观礼活动后,他只用了3个月就回到了祖国,马不停蹄的投入到我国铝加工行业及汽车轻量化新材料、新产品的研发工作中。 “我想做些更有价值的事情,为国家发挥更大的作用!”提起这个决定,他如是说。拳拳赤子之心和满腔报国热诚,通过他的寥寥数语表露无遗。 他就是苏州大学高性能金属结构材料研究院院长张海。
海外绽锋芒:世界上“独一无二”与“首次取得”的铝材料研究成果 张海本科毕业于太原重型机械学院(现太原科技大学),1988年,在工作了四年后,他决定赴日本留学,深造加工和铸造专业,学习海外先进科技知识。初到日本,为了克服语言障碍,张海半年就啃透了《日汉大辞典》。日常学习上他严格要求自己,每天的学习计划排得只能睡几个小时……一年多后,张海成如愿为了实验室里最优秀的学生之一。 1997年10月,张海获得了国立电气通信大学的工学博士学位,并跟随他的博士后导师世界著名凝固理论专家梅田高照教授继续主攻铝合金材料开发与应用方向的研究。 张海与导师梅田共同设计和研发出世界唯一可测量合金凝固过程中材料力学性能的装备,通过精准温度控制,快速加热与控制冷却实现对合金真实凝固过程的重现,以高精度测量两相区力学性能。在世界上首次提出了ZSSF(Zero Stress Solid Fraction)以及ZDSF(Zero Ductility Solid Fraction)的概念,并将ZSSF和ZDSF定为铝合金热裂发生判定基准之一。张海提出了热裂预测的新理论,开发出一系列高强度铝合金新材料,并在实际的生产中取得了巨大的经济效益。 为了开拓更宽广的学术眼界,梅田教授每年都会带领张海参与几次国际学术会议。在与英国皇家理工大学的合作中,张海采用高精度X射线三维断层扫描,在世界上首次获得铝-镁(Al-Mg)合金中微观孔洞的三维特征,揭示了铝-镁合金均匀化与轧制过程合金内部三维孔洞演变规律,以此推翻了经典的孔间粗化的孔洞演变理论,提出DC铸锭中高曲折度的孔洞通过孔内高曲率角的奥斯瓦尔德(Ostwald)熟化而球化的新孔洞演变理论。张海研制开发的世界首创铸件内部三维气孔(porosity)凝固组织的预测方法,不仅能用于铝合金的半连续铸造,同样也能用于铝合金的其他铸造工艺过程。在各种大型板材连铸坯的生产工艺控制中得到广泛应用,在国际上首次生产出高质量无孔大型铝板材,属世界领先技术,对铝加工行业的发展有着巨大的影响,经济效益十分可观。 归国展宏志:加快实现我国铝材料加工产业的自主创新和跨越发展 赴日21年之际,张海收到祖国大使馆的邀请:作为海外182位高层次人才之一回国参加国庆60周年的观礼活动。2009年10月,张海登上了天安门城楼,目睹阅兵仪。张海感受到了祖国对海外人才的重视和渴望,一直以来的归国效力的想法此刻截然敲定。 三个月后,2010年初,张海迅速回到祖国,致力于解决我国被自主产权汽车用铝合金材料技术卡脖子,部分关键基础材料长期依赖进口等问题。 在日本时,张海就开发了一款6XXX铝合金-HS65,其性能为屈服强度为370MPa,伸长率大于10%,疲劳强度大于140MPa,是当时世界上性能最好的车用铝合金材料之一。2010年回到中国后,张海在这个基础上继续研究,又用了6年的时间,开发出中国第一款具有自主知识产权的高强韧6XXX铝合金,注册合金6B10,其屈服强度为385MPa,伸长率大于10%,疲劳强度大于145MPa,材料获得非常优秀的强韧与疲劳性能。从2017年开始张海和魏桥创业集团合作又开始了第三代高强高韧6xxx铝合金新材料的开发,目前,已开发出了具有国际先进水平的高强高韧高高疲劳性能的新型WHS-3铝合金材料,其屈服强度大于400MPa,伸长率大于10%,疲劳强度大于150MPa,而且耐腐蚀性高于6082合金,该材料已经批量用于我国汽车行业。 张海在国内首次开发研究成功了节能环保型短流程制坯技术和高温变形超细亚晶控制技术,各项综合性能达到国际先进水平,同时建立了一套完备的汽车底盘件产品材料和性能评价技术,填补了国内领域的技术空白。他创新式提出了短流程近终形铝合金控制臂制备技术,依靠近终形锭坯铸造、高温锻造成型以及亚晶组织控制,自主设计开发出了我国首款超轻高强铝合金控制臂、转向节等新产品,先后针对我国自主品牌一汽、长安、长城、吉利、奇瑞、江淮等汽车主机厂,推动实施了控制臂、转向节、副车架等关键铝合金底盘零部件在国内自主品牌主机厂的开发和应用。 在“双碳”战略背景下,交通领域的碳减排对全社会实现碳达峰、碳中和意义重大。 节能与环保是汽车工业发展的两大主题。从材料上看,铝的比重为钢的1/3,强度约比钢大1倍,铝代钢,可大幅提升汽车性能。世界汽车协会报告显示,汽车重量每减少10%,燃油能耗就可降低6%-8%,降低二氧化碳排放13%,由此可见,汽车轻量化是全球汽车工业化的一致目标,而铝合金是交通轻量化的必然选择。 别人的汽车轻量化都是以铝代钢,而张海要做到的是以铝代铝。以团队研究出的新型高强高韧高服役性能铝合金材料来代替现有大家通用的铝合金材料。在这种情况下,还能在铝车身上再减重10%-15%,实现了汽车减重和节能减排的双重目标,应用前景非常广阔。 张海回国的12年,也正是国内电子信息、通信、电器等行业迅速发展的时期,传统的压铸铝合金材料热导率在110-130W/(m·K)之间,已远远不能满足我国4G、5G通讯器材对高导热材料的需求。 面对国家需求,张海带领团队通过微合金化、复合变质工艺配合精确热处理工艺,突破性地实现了共晶硅相的毛绒絮状变质处理,先后开发了具有国际先进水平的系列高强高导热压铸用铝合金新材料,热导率可达188W/(m·K),将上述材料制备通讯机箱壳体,使热源表面温度不仅分布均匀并且降低了3-4.5℃,实现了通讯器材的“跨代应用”。张海的这一类高导热材料已经获得了大唐通讯的应用认可,中兴,华为也相继通过了应用测试,填补了我国当时铸造铝合金无高导热材料的技术空白,成功实现我国通讯材料的跨代升级。 张海回国之后,为了加速产学研结合,加快科技成果产业化,促进我国铝加工产业的自主创新和跨越发展,张海教授在加盟苏大后短短的一个月内就和世界500强企业世界最大的铝业公司魏桥铝电集团公司,马来西亚上市公司广东澳美集团,苹果手机,电脑等高端铝材的龙头企业上海鑫益瑞杰有色合金公司等多家企业签订了共建高端铝材制造及应用技术研究院和新材料研发中心。张海教授表示,校企合办研究院的宗旨在于为企业重大技术问题提供解决方案,为企业进一步开拓高附加值铝合金产品市场提供技术支撑,为企业培养具有前瞻意识和创新精神的技术骨干,为中国民族铝工业应用水平的提升及早日赶超先进国家做出实实在在的贡献。 培桃育李传薪火 创新材料筑强国 近期,俄罗斯自然科学院(RANS)第一副院长、首席科学秘书伊万诺茨卡娅向张海发来了贺信,祝贺他当选新一届俄罗斯自然科学院外籍院士,这是对他30余年持续致力于铝合金材料领域研究的莫大肯定与褒奖。 今天,张海仍然在开发出更多更好的铝合金新材料,重点会转向耐腐蚀、耐疲劳,以及焊接性能更好的材料的道路上贡献他的智慧和汗水;同时,他还计划重点去研究再生铝这一全世界的热点领域——用廉价的方法把废铝里面的杂质剔除得更干净,这样可以使废铝也不降级使用。 狠抓科研的同时,张海也没有在培育人才上松懈。张海的团队在他的带领下,取得了令人瞩目的成绩。研究院成立5年来,先后承担国家省部委以上科研项目23项,其中国家自然科学基金重点项目等共8项,产学研合作重大科研项目8项,研究费用累积8600万元以上。
说起未来,张海表示:虽然研发的部分铝材新产品实现了替代进口和产品升级,但我国铝合金材料研发应用的整体水平依然不高,所以基础科学问题还需要我们去不断探索,必须依靠技术原理和创新思维,从本征结构和设计源头中探寻材料的本质,依托校企共建研究院和技术中心的产学研平台,培养出一批能够解决我国重大科学问题和应用技术方面的人才,为实现技术成就梦想,创新引领未来的强国梦做出一点应有的贡献。 |
