“如果能实现咱们中国具有自主知识产权的新一代航空材料，那我们这一帮人都死而无憾了。”在上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所办公室里，王浩伟教授向《大飞机》杂志记者表示，自己团队正在研发的纳米陶瓷铝合金已经在航天、汽车等领域实现了小批量应用，“把它打造成第四代航空材料，是我们整个团队的梦想。”
自1903年莱特兄弟发明飞机以来，人类航空史已走过百年历程。经过这一百多年的发展，今天的飞机无论从哪个角度来说，都已与当年的“飞行者一号”不可同日而语。从航空材料来看，从当初的钢木，到后来的铝，再到现在当红的碳纤维复合材料，已经走过了三代。
“我们的目标是做成第四代航空材料。在航空材料史上，我们一直都是跟在别人后面学习，追得很辛苦！”王浩伟铆足了劲，要在航空材料史上留下咱们中国的印记，“这个过程可能会很漫长，十年、二十年都有可能。但你看航空铝合金都用上百年了，现在还在用。咱们这个目标一旦实现，至少也能用上几十年吧。那就是说，这个目标不仅在今天意义重大，还能给子孙留下点东西，你说多好！”
原位自生
王浩伟1966年出生于安徽省淮北市萧县的农村，16岁就考上西北工业大学铸造专业。西工大是我国“三大航校”之一，其铸造专业实力尤其强大。“铸造专业在西工大是第一块牌子，一个专业出了五个院士，我的老师周尧和先生就是院士，我读书时还叫学部委员。”
王浩伟在西工大一口气从本科读到博士，一直跟着周尧和先生做金属基复合材料。当时，国际上的研究热点是树脂基碳纤维复合材料，同时也有一种观点认为，碳纤维增强的树脂基复合材料可以使强度提高那么多，那以金属为基，再通过碳纤维来增强岂不是可以把强度提高更多。
那时，国内的碳纤维复合材料研究才刚起步，西工大还没有，王浩伟特意跑到北京的一个研究所去看碳纤维究竟是怎么回事。但这条路走起来并不顺畅，“碳纤维复合材料本身就有很多问题，再弄到金属里去，问题就更多了，而且做出来的东西不仅没有继承金属的优点，缺点倒是继承了一大堆。”王浩伟表示。
碳纤维复合材料的优点是密度低，能帮助飞机减重，缺点是工艺复杂，生产过程不好控制，导致产品质量不稳定。但即使是减重的优点，也有其局限性。王浩伟介绍说，碳纤维复合材料名义上能减重15%，但在实际应用中一般只有5%到8%，效果并不是十分明显。于是，王浩伟把研究方向转向了颗粒增强。
要做颗粒增强，首先要把陶瓷磨碎，磨成粉。但是，陶瓷是仅次于金刚石的硬度第二高的物质，要把它磨碎到微米级别，困难非常大。当时，英国的科学家能做到3微米，法国科学家号称能做到1微米到3微米。中国当时还做不到这么小的尺寸，一般的加工方法只能把陶瓷颗粒加工到10微米左右。
尺寸是一个问题，另一个问题则是要用铝把陶瓷颗粒粘起来，这个加工也非常困难。王浩伟用我们生活中比较常见的砂轮举了个例子。砂轮也是先把陶瓷磨成颗粒，然后用胶把颗粒粘起来，这样做出来的砂轮质量轻，硬度又高，模量也高。但要用铝把陶瓷颗粒粘起来，不仅不好加工，而且勉强做出来的产品，可靠性也成问题。
1992年，王浩偉博士毕业，到上海交大材料科学与工程学院进行博士后研究，指导老师是中国复合材料领域的开拓者吴人洁教授。“吴人洁先生并不是传统的搞金属出身，他原本是化学所的，所以他的化学背景很强，他提出采用‘原位自生’的方法，就是在铝里面加进去反应原料，通过反应，让铝里面自己‘生长’出陶瓷来。这是一种交叉学科的思想。”上海交大特种材料研究所的夏存娟老师说。
夏存娟介绍说，“原位自生”这种方法提出来后，当时不少人提出异议，他们认为在铝里面添加成分，让它原位自生，最后长出来的不是增强相陶瓷，而是金属夹杂陶瓷渣，这种陶瓷渣跟冶金产生的废渣是一样的。冶金废渣不具有金属的属性，陶瓷渣也不可能具有陶瓷的属性，所以他们认为这条路是走不通的。
“原位自生”这种方法在国际上有没有人提过，王浩伟没有去仔细考证，“但在国内肯定是第一个”。既然是创新，有人反对也很正常，但王浩伟不信这个邪，他在周尧和、吴人洁两位先生的指导下，先从理论上证明这条路是可行的，“也发表了一些论文”，然后就开始捣鼓，做各种各样的实验。
“那段时间最充实”
一谈起科学实验，一般人都会联想到洁静整齐的实验室里，穿着白大褂的科学家在摆弄着一些烧瓶或者仪器的场景。但王浩伟做实验，至少在早期阶段，不仅没有如此高大上的实验室，整个场景简直连低端的手工作坊都不如。
“在西工大读研期间，做颗粒增强实验，那时好歹还有间实验室。”王浩伟介绍说，那时做实验的方法是把陶瓷颗粒磨碎了，再通过共喷使之与铝混合。这么小的颗粒一喷下去，自然会飞得到处都是，所以每次做实验，王浩伟都只能坚持一小会儿，然后赶紧“捂着鼻子往外逃”。
到上海交大后，连这样一间实验室也没了。没办法，王浩伟就在交大徐汇校区铸造楼的走廊上“霸占”了一个角落来做实验。铸造楼靠近交大广元西路校门，窗外几十米远的地方就是门卫室。王浩伟做实验的时候，为了保证安全，总是叫几个研究生拿着灭火器围着他和实验用的炉子站成一圈。实验开始后，一下子就浓烟滚滚，门口的保安吓坏了，赶紧跑过来问是怎么回事，尽管王浩伟他们拼命解释“没事，我们是做实验”，保安最后还是报警了。
走廊里呆不成了，在学校的帮助下，王浩伟在交大附近借了一间即将拆迁的厂房做实验室。实验室有了，实验设备还没有呢，因为要做的是别人没做过的新材料，所以设备也没有现成的，都得自己设计。另外，也别想什么都买新的，因为没钱。“穷，那时候太穷了。”王浩伟对那时的窘况记忆犹新。
如今在特种材料研究所任副研究员的李险峰，是王浩伟的第一个博士生，他也对那时的困难记忆深刻。“我们熔炼铝需要一个炉子，当时大概千把块钱，但我们没钱买。一开始是跟别的实验组混，他们白天用，我们晚上用，后来就耍赖，跟人说，你们别要了，送我们得了。”李险峰现在回忆起这事，还觉得挺不好意思。
但李险峰印象最深的还不是这事，而是用锯片锯铝板和镁板。当时，王浩伟不知从哪里弄来一个黏土石墨坩埚，容量有限，因此每次熔炼铝和镁之前得把板材锯成小块。李险峰读硕士时没干过这活，读博士时第一次走进厂房，看到老师王浩伟拿把木工锯在锯镁板，顿时惊呆了。
“铝板还好锯一点，用细的钢锯就行。镁就难锯了，因为镁这种材料很黏，所以锯齿就得粗一点，锯齿之间的距离也得宽一点，所以得用大的木工锯。”李险峰说，而且锯的时候还有个窍门，“因为锯齿是有方向的，你得让锯齿朝向前方，这样你往外推时好用力，往回拉时轻松。要是搞反了，拉的时候用力，不但容易累，而且容易把锯条给绷断了。”
当时，王浩伟带了五六个学生，硕士博士都有，大家排着队轮流锯，虽然累，但有说有笑，也觉得很好玩。这事之所以让李险峰觉得印象特深，在累之外，更多的是因为高大上的博士与干木工活之间的反差实在太大了。
不过，李险峰很快就习惯了这种环境，对后来发生的严重得多的事他倒不震惊了。所谓“严重得多的事”，是指李险峰几次被烫伤。有一次，李险峰打开炉门的时候，不小心碰着高温的炉门，“胳膊直接黏在炉门上了”。还有一次，李险峰浇铸铝液的时候，铝液掉到地上，又弹起来掉到他脚上，当时是夏天，他穿的是凉鞋，铝液从凉鞋的缝里流进去把脚烫伤了，“当时鞋都脱不下来”。
受伤了，李险峰等到的不是王老师的安慰，而是一顿臭骂。“我骂他，不是不心疼，而是要杜绝这种事再次发生。”王浩伟解释说，李险峰被烫伤，是因为违规操作，“比如说胳膊黏到炉门上，你为什么不戴长筒手套呢？规定是必须要戴手套的嘛。”
当然，王浩伟对学生更多的是关怀，是以身作则，以及对新材料的执着，所以李险峰虽然被骂得眼泪在眼眶里打转，毕业后却依然选择留下来，跟着王浩伟继续攻关。
现在，条件好了，现代化的实验室有了，现代化的设备也有了，甚至还和安徽省政府、淮北市政府合作在淮北建设了现代化的工厂，“但回想起来，还是觉得那段时间最充实，每天都做实验，每天都失败，但每天都充满希望，充满干劲，充满信心。”王浩伟说。
从航天到汽车
功夫不负有心人。经过十几年艰苦的摸索，王浩伟带领的团队终于成功了，铝里面长出来的不再是陶瓷渣，而是与铝结合成为一种具有陶瓷属性的新材料。
2006年，王浩伟争取到一个机会，把这种新材料运用到一种国家专项装备上，然后在航天、汽车等多个领域进行了试用。
“航天使用这个材料，除了看中它的轻质高强特性之外，更重要的是看中了它的高模量。”夏存娟表示，近十年来，这种新型材料在天宫一号、天宫二号、风云四号、“墨子号”量子卫星上都有使用，“主要是用来做卫星光学系统的框架结构”。这种框架结构，一是要轻，因为是要上天的，所以越轻越好；二是要不容易发生弹性变形，因为卫星运行在离地球好几百公里的轨道上，其光学系统要探测地球上的目标，用于固定“镜头”的框架结构哪怕发生极微小的变形，都可能“失之毫厘，谬以千里”。
夏存娟以我国新一代静止轨道气象卫星——风云四号为例，来说明新材料的作用。风云四号卫星于2016年12月11日发射升空，是我国静止轨道气象卫星从第一代（风云二号）向第二代跨越的首发星，它采用六面柱体结构、单太阳翼、三轴稳定姿态控制，在轨测量和控制精度达到角秒级，图像定位精度1像元。
风云四号卫星投入使用后，可以对我国及周边地区的大气、云层和空间环境进行高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率观测，更加精确地开展天气监测与预报预警，为灾害及环境监测、人工影响天气、空间天气研究等提供有力支撑。
而这一切，都要由卫星的“千里眼”——星敏感器来实现。这就对星敏感器支撑结构“星敏感器支架”的稳定性提出了极高的要求。因为卫星身处反复交变的恶劣热环境中，星敏感器支架微小的变形都会导致星敏感器指向发生很大变化，无法保证卫星定姿精度及拍摄图像的清晰度。为实现新一代卫星定量遥感观测精度的数量级提升，风云四号卫星总体设计单位要求卫星的星敏感器支架在轨热变形稳定度设计指标也比以往卫星提升了一个数量级。
王浩伟团队研究发现，保证风云四号卫星精度的关键在于支架内部的核心传热部件——三角支撑架，该部件对材料性能、整体近净成形和超精度加工提出了极其苛刻的要求。
为此，王浩伟带领团队对纳米陶瓷铝合金进行再开发，成功研制出集铝的轻质、钢铁的刚度、陶瓷的膨胀性、石墨的导热性于一体的新型特种铝基复合材料，并直接铸造成形，满足了构件的高刚度、高传热要求，保证了三角支撑架的微变形抑制和高精度。构件的整体超精度加工，使得构件尺寸和位置精度可控，同时兼顾了厚度均匀性。而且，其绝对热变形只有原构件的十分之一，也就是说热变形稳定度提高了十倍，各项指标均满足风云四号卫星的使用要求，并达到了国际领先水准。
“航天系統对纳米陶瓷铝合金很满意，但他们对这种材料的用量很小，所以后来我们又转向了在汽车上的应用。”夏存娟说，纳米陶瓷铝合金目前在汽车上的应用主要是两个方向，一个是做发动机的活塞，另一个是做转向节。
发动机活塞看中的是纳米陶瓷铝合金耐高温的特性。大家知道发动机是靠燃烧汽柴油来运动的，所以发动机所使用的材料必须能经受高温的考验。“当温度达到300度的时候，一般铝合金的强度只有50兆帕，而陶铝新材料的强度超过80兆帕，优势非常明显。”夏存娟表示。
而汽车转向节看中的则是其轻质高强的特性，能帮助汽车减重。目前，国内某自主品牌汽车厂商已经与王浩伟团队合作开发出使用纳米陶瓷铝合金制造的转向节，重量比原来减轻一半左右。“他们原本比国外要落后一代，原来的转向节是用铸铁做的，国外先进汽车厂商已经换成铝合金了。他们来找王老师，本来是想追上国外技术，没想到用了纳米陶瓷铝合金后，直接‘超车’，领先国外一代了。”夏存娟很自豪地说。
“性能好到没人信”
“航天是单一性能要求，所以航天用得最早，随着研究的进一步深入，这种材料的其他性能也慢慢提升上来，不仅用于做汽车产品，还给一家半导体集成和封装设备制造商做自动焊线机的焊接头，其性能也是得到成倍的提升。”王浩伟说，纳米陶瓷铝合金的可应用范围很广，但他最希望使用的是航空领域，“我是西工大出来的，与航空有着天然的联系，我老师周尧和院士搞了一辈子航空材料，所以我们最希望的就是往航空上走。”
航空对材料的要求也是最全面、最严格的，可以说是材料领域的制高点，只要占领了这个制高点，其他产业对于用不用这个材料，只需要考虑合适不合适，而无须在材料的性能上再费神。
“这个材料的低密度、高强度、高模量等特性我们在之前已经实现了，并且在航天、汽车、电子等领域使用了，在后续研发中，我们又实现了它一个很大的优点，就是抗疲劳性能特别好。”王浩伟说，一般的新材料，如果能把千万次抗疲劳极限提升20%到30%，就可以使其产品的寿命延长一倍，这已经是非常了不起的成就，“但纳米陶瓷铝合金的抗疲劳特性可以比之前的材料提升90%！”
往航空方向走之后，王浩偉发现，即使是之前已经知道的轻质高强特性，一对比之后显示其效果竟是出人意料的好。“我们先用最普通的纳米陶瓷铝合金材料做了一个飞机地板的支撑梁，试了一下，结果发现减重12%。”王浩伟说。
C919的地板支撑梁是用第三代铝锂合金做的。第三代铝锂合金是C919大型客机项目在航空材料方面的一大突破，中国商飞公司经过长期研发，建立了第三代铝锂合金材料规范体系、设计许用值体系和制作工艺规范体系。除了地板支撑梁之外，C919的机身蒙皮、长桁等结构上也应用了第三代铝锂合金，取得了很好的减重效果。
“第三代铝锂合金能减重5%，纳米陶瓷铝合金能在此基础上再减7%，也就是说比传统铝合金能减12%。”王浩伟表示，这还是用强度最低的纳米陶瓷铝合金材料，如果用中等强度的，一般能比传统铝合金减重30%左右，而最高强度的，减重效益能达到60%。
王浩伟刚开始向航空界人士介绍纳米陶瓷铝合金的上述性能时，很多人都不相信，或至少是将信将疑，后来经过第三方专业机构检测，并做了一些试验件之后，大家才真正地信服。
“C919总设计师吴光辉亲口对我说，我不是不相信它的性能好，而是没想到竟然能这么好！”王浩伟介绍说，吴光辉鼓励他和中国商飞公司合作，把纳米陶瓷铝合金做成咱们中国人自己的新一代航空材料，并且亲自把这个材料命名为“纳米陶瓷铝合金”。
王浩伟原本想给它命名为“原位自生铝基复合材料”，这样能突出“原位自生”的研究方法以及“复合材料”的特性，但不如“纳米陶瓷铝合金”好懂。
“起这个名字，在学术界，可能会有人笑话我们，但应用单位也好，老百姓也好，一听就能明白，有利于大家接受和推广。”王浩伟说。
既然性能这么好，C919大型客机项目负责材料的副总设计师章骏就要求王浩伟研究如何用纳米陶瓷铝合金进行3D打印。3D打印对材料的要求比较高，航空界在打印零部件时使用钛合金、高温合金的比较多，用普通铝合金打印出来的产品质量比较差。
目前，空客在飞机材料的3D打印方面走在世界前列，它有一种专利合金，不仅对中国禁运，对美国也禁运，所以章骏很急，追着王浩伟要他搞3D打印。
“3D打印我们本来也搞的，只是原来没那么急，想慢慢试验，章总来后，我们的速度就加快了。目前，我们已经基本解决了3D打印的问题，做出来的试验件性能跟锻件一样。”王浩伟说。
大飞机项目追着王浩伟要材料，发动机产业也追着王浩伟赶紧把纳米陶瓷铝合金应用到航空发动机上去。发动机是中国航空产业界的一块“心病”，正因为此，中国航空发动机行业也正在奋起直追。2016年5月，国家专门成立了中国航空发动机集团有限公司。
“材料是制约中国航空发动机进步的关键因素之一。比如发动机叶片，国外有做空心钛合金叶片的，也有做碳纤维叶片的，这两种材料我们目前都没有完全攻克。”夏存娟介绍说，如果我们一直跟在先进国家的屁股后面追，一方面因为他们会推出新材料，让我们追得很苦，另一方面，就算我们追上了，比如我们做出了空心钛合金叶片，也会面临专利方面的问题。
用纳米陶瓷铝合金来做叶片，则绕开了国外的专利障碍，而且能为国产发动机减重做出巨大贡献。因为发动机叶片高速旋转，所以叶片每加重一公斤，发动机后部要加重10公斤才能配平。反之，叶片每减重1公斤，发动机总体就能减重10公斤。
“我们团队现在分成五个组来攻关发动机叶片，五种方案，就看谁最先做出来。现在基本上可以肯定，只要做出来，它就是世界上最轻的发动机叶片。”王浩伟对未来充满信心，“发动机叶片对材料的要求最高，只要这一关攻下来，其他方面的应用就会迎刃而解。”
除了以上这些优势之外，纳米陶瓷铝合金还有一个与中国工业体系特别契合的点，使得它的生产在中国特别容易。
“我们中国的制造业基础还是以金属为主，同样是新材料，碳纤维的制造基础我们国家比较差，与国际先进水平的差距比较大，但纳米陶瓷铝合金本质上是金属，金属加工我们国家太强了，这就使得用这种材料做产品在中国非常容易。”王浩伟说，而加工容易，也就意味着价格会低。
“价格低，性能好，又是咱们自己的，所以前景一定很好。未来，咱们中国人用自己的新一代航空材料取代铝合金、铝锂合金、碳纤维复合材料，甚至部分钛合金……你想，那时该有多幸福！”王浩伟说。
