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用创新推动材料发展与应用
发表时间 2017-05-17 10:49 来源 本站原创

  导语:有人总结,计算机IT技术、材料科学和生命科学是新世纪的三大支柱型学科,此言不虚。其中,IT技术是研究问题、收集和计算数据的重要方式方法,生命科学是关系到人类生命健康的学科,而材料学,则与一个国家和地区的工业发展及经济基础息息相关。研究和探索材料科学的发展规律、特色及功能用途,对于增强国际竞争力、提高国家综合实力意义重大。在这一方向上,清华大学材料学院长聘教授李言祥已经坚守了二十八年,将自己的一腔心血尽数倾注给了挚爱的科学研究事业。

  脚踏实地 不懈进取

  今年55岁的李言祥教授是浙江桐庐人,出生在一个小村子。在他幼年的时代,虽然生活艰苦物质贫乏,但是历代村民都崇尚耕读传家,相信唯有读书和劳动能够改变人的命运,带给人真正的美好生活。在这样的环境里,李言祥的双亲也始终信奉着读书的作用,努力培养儿女们求学上进,在孩子们的求学路上尽己所能给予支持。

  因为有了亲人的支持和鼓励,李言祥的学习成绩始终保持在前列。1977年,国家恢复高考制度。他于第二年顺利考入哈尔滨工业大学金属材料与工艺系,成为文革结束后最早的大学生。他总是说自己赶上了读书的最好时期,为后来的科研工作奠定了基础。在哈尔滨工业大学苦读七年,以优异成绩取得学士学位和硕士学位。

  追求科学的道路注定没有尽头,越是钻研得深,越能感到这片天地的广阔,迫切希望能够探索得更深入、攀登得更高。李言祥正是这样。他很早就立下了追求科学的志向,在硕士毕业之后,主动与清华大学的导师联系,当年顺利考入最高学府成为一名博士生。

  1989年6月,李言祥获得清华大学机械工程系博士学位,并在同年8月留校。从此之后,他坚守三尺讲台,以年轻的心态坚持与学生共同学习、共同成长。

  凭借着出色的专业成绩和积极进取、敢于攀登的精神,李言祥很快得到了进一步学习的机会。1990年10月,他以访问学者身份先后前往英国利物浦大学激光加工实验室及法国、意大利进行合作研究,边工作边了解国外发达国家的科研工作状态。

  在那个年代里,做科研在国外的实验条件更好,待遇方面也更加优厚,因此吸引了很多出国研究人员留在当地。李言祥却在完成工作任务后义无反顾回到了祖国。他说:“只有国家发展了,个人才会过得好。”朴实的话语道尽了他内心火热的爱国情怀。

  专注科研 潜心求索

  1992年初,李言祥回到祖国,担任清华大学机械工程系讲师,后来又先后担任副教授、教授等工作。在具体的科研工作中,他坚持学习与求索并行,一步一个脚印,在材料科学与工程研究的道路上取得了一连串可喜成果,并且十分注重科研成果的转化,坚持推进理论研究的实际应用,并为之进行了诸多创新性探索。

  李言祥教授介绍,他的科研工作主要分为四个研究方向。包括:

  1.定向凝固多孔金属研究

  李教授带领课题组在我国率先开展金属-气体共晶定向凝固装置、凝固实验与理论研究,研发建造了我国第一台金属-气体共晶定向凝固实验装置并进行实验研究,成功制备出一维藕状和二维放射状分布孔洞的镁和铜等规则多孔金属。他们建立了金属-气体共晶定向凝固的理论模型,进行了金属-气体共晶定向凝固工艺中气泡形核的理论分析。

  李言祥教授和同事们通过系统研究各个工艺参数,包括金属熔体温度和铸型加热温度、气体压力包括氢气和氩气的分压比、凝固速率等对Mg-H、Cu-H系定向凝固规则多孔结构的影响,从理论分析和实验研究两方面建立起了金属-气体共晶定向凝固工艺中的气孔率预测模型。他们总结了氢在纯金属中的溶解度数据,阐明了氢在不同金属熔体中溶解度的变化规律,建立了氢在合金熔体中溶解度的热力学计算模型。此外,他们还发展了定向凝固多孔金属工艺中金属-气体体系的选择原则,明确了熔体中的气泡形核条件,建立了在金属中获得规则定向气孔结构的气体压力与熔体过热度条件,实现了准确预测定向凝固多孔纯金属的气孔率、气孔孔径以及孔间距等结构参数。除此之外,李教授课题组还研究了二维定向凝固多孔金属的气孔结构变化特点及其影响因素,成功制备了气孔规则排布的放射状多孔金属。他们制备了定向凝固多孔铜锰合金,明确了定向凝固多孔结构的影响因素和制备条件,并于近期开展了具有独特结构的微-纳复合多孔金属研究。

  李言祥教授说,他们在国内率先起步了该方向的研究,得到了国外同行的广泛认可,目前已具有国际一流的学术地位,并在国内引领了多家高校和科研院所展开研究。

  2.泡沫铝及其工业化应用研究

  泡沫铝是一种气孔随机分布的闭孔多孔金属,其能够用熔体发泡法制备,也可以用吹气发泡法制备。针对熔体发泡工艺,李教授课题组研究了泡沫铝制备过程中的增粘、发泡剂及其加入方式、泡沫均匀性控制等关键技术,研究了泡沫铝的微观组织特征。他们通过揭示气泡合并、排液、破裂等关于泡沫稳定性的物理问题,获得了工业生产条件下泡沫铝块体和板材的优化制备工艺参数,实现了纯铝和铝合金大块泡沫铝块体和板材的批量工业化生产。如今该泡沫铝产品已经在声屏障、轮船发动机舱隔音、高速轨道交通客车上得到了广泛应用。

  针对吹气发泡工艺,他们研究了泡沫的稳定机制、颗粒覆盖使泡沫稳定的临界判据,建立了吹起法单炉发泡工艺中颗粒体积分数和吹气深度之间的微分方程,实现了对单炉工艺剩余熔体比例的预测;对气泡生长过程进行受力分析计算,考察了气流量、吹气嘴直径、气室体积等因素对气泡大小的影响;发展了气泡大小控制方法;成功制备出了结构均匀,孔径、气孔率可控的泡沫铝块体,可以指导吹气法泡沫铝的工业化生产。

  李言祥教授于2004年中国材料研究学会年会发起设立了多孔材料分会,并先后在2004、2006、2008、2010年度连续担任分会主席。泡沫铝及其应用于2010年被列为清华大学重点推广科研成果,基于该科研成果得生产技术已转移到多家企业进行泡沫铝的生产。2015年1月,中国新材料在线专门对李言祥教授进行了报道,称他是我国泡沫铝产业化方面的主要推手。

  3.耐磨合金材料研究

  李言祥教授团队研发的高硅铸钢采用与奥-贝球铁基体相近的合金成分,以碳和硅为主要合金元素,不添加其他稀贵合金元素,利用硅元素在钢的等温转变过程中强烈抑制碳化物析出的特性,经等温淬火热处理,把高硅铸钢处理成奥氏体(硅稳定化的高碳奥氏体)-铁素体(贝氏体铁素体)双相组织,具有极高的强韧性。同时由于组织中具有较大量奥氏体,使得高硅铸钢具有冲击条件下的加工硬化特性,获得了高强韧性和高耐磨性的复合,可以作为耐磨材料应用于各种冲击磨料磨损场合,用于替代高锰钢、低合金耐磨钢和奥-贝球铁等。

  此外,他们还研究开发了一种以硼为主要合金元素,以硼化物为耐磨相的新型抗磨材料——高硼白口铸铁。这一材料的特点是以Fe-B共晶代替传统白口铸铁中的Fe-C共晶、以共晶硼化物代替碳化物作为耐磨相,具有高硼低碳的成分特点。低碳可以使基体具有较好的强韧性,高硼可以保证合金组织中耐磨相的数量、硬度和耐磨性。同高铬铸铁相比,可以在保持硬度较高的(硬度>HRC55)的同时,具有更高的韧性(冲击韧度>11J/cm²)。由于不含贵重金属元素,所以高硼白口铸铁的成本较低,是抗磨白口铸铁的换代品种。

  李言祥教授课题组开发的高硅铸铁于2002年获得国家发明专利,2003年获得国家知识产权局第八届中国专利奖优秀奖;相关研究成果在2002年获得教育部提名的国家科学技术奖技术发明一等奖。作为一种新型耐磨材料,它的制造方法迄今已经授权给15家企业进行生产,部分应用该技术的企业产值、利润均增长了上百倍,被评为国家和地方重点高新技术企业。2003年,该项目获得清华大学科研成果推广应用效益显著奖一等奖。

  4.液态金属状态热分析评估技术

  李教授介绍,液态金属质量控制水平的高低直接影响到铸造产业的生产成本、产品合格率及其在国内外市场上的竞争力。所以,炉前快速、准确地测评及控制金属熔体的化学成分及熔体质量,成为国内外专家研究的热点内容。基于此,他提出的“非平衡合金熔体状态测评及应用”技术,基于模式识别技术、数据库技术以及数字化热分析技术的铸造合金熔体非平衡状态的智能化评估系统,很好地实现了铸铁的孕育和球化效果、铝合金的细化和变质效果等熔体状态测评。2010年9月,《科学中国人》杂志以“号脉铁水”为题对李教授的成果进行了专题报道。我国最大的球墨铸铁生产厂和最大的蠕墨铸铁生产厂、用高炉铁水短流程直接生产铸铁(工信部重点推广)的厂家,均得益于此项技术的应用。本方法还收入了我国新出版的《铸造手册》和新制定的铁液热分仪国家标准。在工信部国家04科技重大专项中,本方法用于“灰铸铁和球墨铸铁液态技术质量在线测评与质量保证”。

  2006年10月,清华大学举行了第8届国际铸铁科学与加工会议,李言祥教授作为大会秘书长主编《Science and Processing of Cast Iron Ⅷ-Proc.of SPCI8》论文集,由清华大学出版社出版。另外,在清华大学本科教学试验中,铝硅合金熔体变质与细化处理效果评测应用还于2006年获得清华大学实验技术成果奖。李教授不仅及时把科研成果传播给世界,还尽快地应用于教学和人才培养中。

  传道授业 培育英才

  二十余载的教师生涯,李言祥教授正真做到了教学与科研并重。他先后承担了《Basic Metallurgy》,《金属凝固》,《材料加工原理》,《复合材料》,《现代材料加工》等本科和研究生课程的讲课任务。他2005年主编出版的《材料加工原理》,2006年获北京市高等教育精品教材奖。他组织《材料加工》课程体系建设,2006年获清华大学教学成果一等奖; 2006年清华大学《材料加工》课程被评为国家精品课。现在李言祥作为《材料加工》课程负责人,正在组织编写新版《材料加工原理》(近期就会出版)。他在课堂上注重于理论联系实际,除理论知识外,还注意及时将科研体会、国际学术界的研究动态等传达给学生,培养学生理论联系实际的能力。

  作为研究生导师,李言祥教授指导的博士生和硕士生,已有三十多人毕业,做到了名副其实的桃李满天下。此外,他还着力于对人才队伍的建设,在负责的“材料加工团队”中,努力为青年学者搭建起一个优秀的平台,给予年轻人充分发展的空间。每当取得成绩,李教授也总是归功于团队和研究生们,一批优秀人才在他的支持和鼓励下得以崭露头角,成为祖国的栋梁之才。

  李言祥教授常说,人的生命是有限的,而科学研究是可以无限的。因此,他总是觉得时间不够用,盼望着能够再多学一点、多研究一点,尽己所能为国家工业技术的发展多贡献一份力量,并为祖国培养更多的青年接班人。而且,比起荣誉,他更看重理论转化为实际成果,盼望着能够通过科技把祖国建设地更加强大。让我们衷心祝福李言祥教授,身体健康,在科研的世界里取得更多成绩!

  李言祥,1962年7月出生于浙江桐庐,1978年考上哈尔滨工业大学,先后完成本科、硕士学业,1989年6月获得清华大学机械工程系博士学位。1990-1991年在英国利物浦大学激光加工实验室担任访问学者。1992年1月起执教于清华大学机械工程系,1992年12月晋升副教授;1998年8月晋升教授;1999年4月起担任博士生导师。2013年1月起转任清华大学材料学院教授,2015年起任长聘教授。现任先进成形制造教育部重点实验室副主任,材料精确形成研究室主任,材料学院材料加工团队负责人。兼任教育部高等学校专业教学指导委员会委员,中国机械工程学会铸造分会特种铸造与非铁合金委员会副主任、铸钢及其熔炼技术委员会副主任、复合材料技术委员会副主任、《特种铸造与有色合金》杂志编委会副主任等。