PDF《化解陶瓷涂层 难题》

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2019 年5月30 日 星期四 主编 / 赵广立 编辑 / 沈春蕾 校对 / 何工劳 Tel: (010)

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5 中科院弘光专项系列报道② 一提到涂层,老百姓往往想到的是油 漆、 塑料薄膜等. 不管是在科技、 国防还是民 用领域, 随着技术的进步, 人们对工程材料 表面性能要求越来越高, 涂层正发挥着越来 越重要的作用. 作为一种重要的现代表面处理技术和 材料复合技术,涂层与基体形成的复合体, 可使它们在性能上 取长补短 . 例如陶瓷涂 层复合构件具有耐高温、 耐磨损、 耐腐蚀等 特性, 广泛地应用于石油化工、 国防军工、 航 天航空、 机械电子等领域. 然而时至今日, 人们对陶瓷涂层的认识 还不能说了如指掌. 对各种陶瓷涂层物理性 能的准确评价, 一直是困扰国内外工程界的 难题. 经过多年潜心研究, 中国建材检验认证 集团股份有限公司 (国检集团) 首席科学家、 教授包亦望设计了一套巧妙的技术方法, 在 国际上率先突破了陶瓷涂层物理性能检测 的难题. 三无 困局 随着近几十年国民经济的飞速发展, 我 国陶瓷涂层领域的研究也有了长足的进步. 在陶瓷涂层的研究和应用领域, 特别是在航 天航空和发动机等高温机械方面, 国内的发 展速度越来越快. 可是, 无论国内还是国外, 陶瓷涂层性 能评价技术的发展还远远跟不上涂层研发 和应用推广的速度. 这严重制约了涂层设计 安全和应用可靠性的提高. 包亦望说. 对于陶瓷涂层而言, 物理性能直接关系 到涂层设计和制备以及应用过程中的可靠 性和耐久性.例如, 涂层的弹性模量直接关 系到内应力的计算;

膨胀系数影响热应力和 界面可靠性;

热导率是检验热障涂层的关键 指标;

残余应力评价更是判别构件强度和抗 损伤能力的重要指标. 陶瓷涂层通常很难从基体上直接剥离, 因此无法作为单独块体试样进行各种物理 性能测试.很多情况下, 科研人员都是用同 类块体材料的性能检测数据代替涂层的性 能, 但这样做的误差很大.陶瓷涂层的物理 性能评价成了国内外陶瓷涂层及其相关领 域亟待解决的问题. 由于这一领域的重要战略意义, 各国都 希望在涂层检测技术上抢先一步占领制高 点. 如日本政府专门成立陶瓷涂层技术委员 会进行攻关研究, 意大利国家研究委员会陶 瓷研究所、 德国航空太空中心等机构也在热 障涂层领域开展了大量研究. 然而各方的研究均进展缓慢. 直到本世 纪初,陶瓷涂层的性能检测一直处于无方 法、 无标准、 无设备的 三无 状态.2010 年, 国际标准组织先进陶瓷技术委员会专门成 立了陶瓷涂层工作组, 向全球征集关于陶瓷 涂层的评价方法和技术. 老技术 新方法 这样的现状, 让包亦望感到危机与机遇 并存. 我们国家在陶瓷涂层的研究方面长 期处于 '

跟跑'

阶段, 近年来才有所起色.如 果我们能够在涂层性能检测上取得关键突 破, 将是为国家赢得先机的绝佳机会. 能不能通过容易测试的参数, 来计算难 以测试的参数?包亦望一直在思考这个问 题.在他的构想中, 虽然涂层本身的性能难 以测试, 但是基体材料的性能和镀涂层后的 复合体的性能均能通过常规方法和标准测 试获得. 如果这两个性能参数与涂层的性 能之间存在解析关系, 我们是不是就可以直 接计算出涂层的性能了? 基于这一思路,针对每一项物理性能, 建立和推导基体、 复合体和涂层三者之间关 系就成为最为关键的课题. 经过多年潜心研究, 包亦望在大量力学 建模和数学推导后逐个确定了涂层性能的 计算公式,陆续解决了陶瓷涂层的弹性模 量、 强度、 密度、 膨胀系数、 导热系数、 界面结 合强度以及残余应力等系列性能评价与测 试难题. 他和团队成员进一步将这些技术突破 进行凝练, 最终形成了一套 包氏三步法 的 测试方法.这套测试方法在操作上简单易 行, 最多只需要三个步骤―― ―基体材料性能 测试、 复合体性能测试、 涂层性能计算. 基体和复合体的性能均是采用常规的 方法和标准, 都没有难度, 只要通过第三步计 算, 就可以用传统的测试技术来评价难以测试 的材料性能, 也就是所谓的老技术、 新方法. 包亦望说, 他们还针对各种涂层性能, 给出了 一套计算公式参照表, 这样人们就可以用传统 的方法, 轻松实现涂层性能评价. 此外, 如果基体的性能是已知的, 三步法 还可以进一步简化为两步法;

对多层涂层, 则 可以重复这种步骤, 得到下一层的性能. 中国成果 世界标准 在工程应用中, 包氏三步法还可以推广 应用到其他表面性能评价领域.例如, 要评 价混凝土表面的腐蚀和岩石表面的风化, 可 以把表面腐蚀层看作一涂层, 用三步法可以 评价该腐蚀层的性能和腐蚀损伤速度, 以及 超高温极端环境下的力学性能评价. 又如, 对当前在电子工业和手机领域广 泛应用的超薄玻璃的性能评价, 由于其性能 检测不能用与块体玻璃相同的方法, 也可以 将玻璃粘贴在金属表面看作是一涂层, 利用 涂层的物理性能测试方法确定超薄玻璃的 各种性能. 这种借鉴移植涂层测试技术用于 解决其他材料性能评价的方法也称为拟涂 层法.

10 年前, 包亦望被任命为国际标准组织 先进陶瓷技术委员会历史上首个以中国为 召集国的工作组组长, 同时连续四届担任全 国工业陶瓷标准化技术委员会副主任委员. 他深刻地认识到, 虽然这种陶瓷涂层的性能 测试方法简单易用, 但毕竟检测技术不是一 种产品, 很难直接转化. 科研成果从引用到 应用是道坎儿, 测试技术推广应用最有效的 途径还是标准化. 近年来, 包亦望团队集中力量致力于标 准的制定, 最终他们的涂层测试法受到国际 和国内专家的认可, 先后被制定成系列国际 标准和

3 项国家标准.这些标准的发布, 对 于指导涂层设计及工艺优化、 陶瓷涂层的结 构设计与计算、 陶瓷涂层构件的服役安全性 与寿命预测均具有重要意义. 由于对推动标准建立做出的突出贡 献,

2014 年, 包亦望被中国标协评为 国际 标准化十佳推动者 ;

2018 年获中国标准 创新贡献一等奖,成为我国无机材料领域 的首例. 最近, 这一成果还成功走向了海外.3 月5日,包亦望团队申请的国际发明专利 涂层残余应力试验方法与装置 在美国 获得授权.该专利技术应用极为广泛, 如 石油化工、 国防军工、 航天航空、 机械电子 等领域,不仅在国际上建立了新的涂层残 余应力测试方法,还研制设计了多功能涂 层膨胀系数和残余应力测试系统, 突破性 地解决了涂层材料残余应力测试这一国际 性难题. 至此, 包亦望带领团队成功地将自有专 利技术研究成果转化为国际标准, 并逐步建 立了一套结构陶瓷力学性能测试与评价技 术标准体系, 率先在国际上取得陶瓷涂层材 料物理性能评价领域的标准领先优势, 也将 我国建材行业的知识产权技术成功推上国 际舞台, 开创了一条拥有中国创新技术的国 际化新路. 在无锡苏南硕放机场附近,有个快递包 裹自动分拣中心,大大小小的包裹正被传送 带自动分发到代表不同地区的收集袋中. 这不是一条普通的传送带, 而是一套自 动分拣设备,装备有自主研发的图像型全向 大视野高景深自动扫码系统.系统在读取条 码信息后,从数据库可以获得每个包裹的地 址信息, 从而实现自动分拣. 日前, 这套自动 分拣设备的研发者、中国科学院微电子研究 所(以下简称微电子所)研究员李功燕告诉 《中国科学报》 , 我们应用图像处理、人工智 能、 工业物联网等技术, 将 '

汗水物流'

转变为 '

智慧物流'

. 从果蔬分选说起 说起这套物流包裹自动分拣系统,李功 燕告诉记者: 系统的技术原理来自团队在

2007 年开发的果蔬分选系统. 我国是世界上最大的果蔬生产国,年产 量达到

10 亿吨, 辐射带动相关产业实现产值 超过

3 万亿元. 然而, 一些问题也随之暴露. 李功燕团队 通过调研发现,国内果蔬采后商品化处理比 例不足 30% (发达国家高达 80%以上) ;

产地 采后腐烂损耗高达 20%~30%, 直接经济损失 超过

4000 亿元;

产地商品化处理技术、 产品、 装备与国际存在较大差距,严重影响我国果 蔬产品商品性和市场竞争力. 以赣南脐橙为例, 赣南脐橙规模化种植后, 采后商品化处理成为推动赣南脐橙品牌化、 国 际化的重要手段. 长期以来, 赣南脐橙产地商品 化处理技术、 产品、 装备与国际存在较大差距, 严重影响赣南脐橙的商品性和市场竞争力.

2007 年起, 微电子所与江西绿萌、 赣南师 范大学合作, 联合开发基于重量、 表面视觉、 含糖量融合的果蔬分选系统. 据李功燕介绍, 项目初期成果于

2008 年底实现产业化, 并大 规模应用于赣南脐橙. 随后, 果蔬分选系统在 国内

25 个省市先后安装了

600 余套, 出口

11 个国家和地区,目前在国内同类产品的高端 市场比例已经达到 80%以上. 在此基础上,李功燕团队的技术成果于

2011 年获得江西省科技进步奖二等奖.2018 年微电子所与江西绿萌等单位共同成功申报 科技部重点研发项目 优质果蔬智能化品质 分级技术装备研发 , 进一步推动果蔬智能分 拣技术创新发展. 果蔬分选系统不仅实现了产业转型升 级, 还发挥延长产业链、 提升价值链的作用, 促进农民增收和农业增效. 李功燕说, 我们 将果蔬分选系统成功转让之后,也开始思考 下一步的应用方向. 行业颠覆性创新 近年来,物流快递产业呈规模爆炸式增 长趋势. 统计显示, 我国快递业务量连续

5 年 稳居世界第一, 对世界增长贡献率超过 50%, 成为世界物流业的动力源和稳定器. 来自国家邮政局官方网站的消息显示,

2018 年全国完成快递投送 507.1 亿件.目前, 快递行业

7 家企业上市, 市值接近万亿元. 马 云曾指出, 中国快递用

10 年时间, 将一个不 能称之为行业的行业,做成了一个超过了美 国近一百年积累的行业. 然而,在中国快递行业发展的背后流淌 着无数快递员的汗水. 以人工分拣快递为例, 需要一个个拣货员手动扫描快递包裹的条 码,再根据包裹上粘贴的快递单信息将其放 到代表相应配送位置的区域, 不仅工作量 大, 而且效率低下、 容易出错. 李功燕说.

2014 年, 李功燕团队通过调研发现, 之前 的果蔬分选系统的技术原理也可以应用于物 流包裹分拣系统. 当时国内的快递分拣系统 大多依靠进口, 价格很高, 而通过技术创新完 全可以将价格降至国外产品的四分之一甚至 五分之一. 于是, 在一年多的技术攻关后, 团 队推出了物流包裹分拣系统原理样机. 原理样机研发成功后, 如何寻找到第一个 试用的客户是摆在团队面前的主要难题. 李功 燕回忆道, 我们前后花了近一年的时间,遍访 了国内主要的快递企业,终于得到一家民营快 递企业给予试用的机会. 当年, 这家快递公司 急需自动分拣设备,因国外设备昂贵的价格而 苦恼. 经过半年时间的测试和团队不断改进技 术, 样机的性能指标完全满足客户的需求, 我们 也拿到了进入这个行业的通行证. 这也推动着实验室里的................