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何业东教授:探索创造规律 培养创新人才

2017-06-26 14:17:34
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

何业东,北京科技大学退休教授,历任材料学院副院长、表面科学与腐蚀工程系主任、腐蚀与防护中心主任,北京市腐蚀—磨蚀与表面技术重点实验室主任,主要研究高温腐蚀与涂层技术,多次获得国家级、省部级的重要奖项,并在该领域享有较高的知名度。2017年5月18日,记者有幸采访到在北京科技大学作学术报告的何业东教授,深切地感受了他关于创新型人才培养的精辟见解。

    何业东,北京科技大学退休教授,历任材料学院副院长、表面科学与腐蚀工程系主任、腐蚀与防护中心主任,北京市腐蚀—磨蚀与表面技术重点实验室主任,主要研究高温腐蚀与涂层技术,多次获得国家级、省部级的重要奖项,并在该领域享有较高的知名度。他非常注重人才培养,几十年如一日地心系教学科研事业,持之以恒、提携后学,带领莘莘学子冲向腐蚀与防护科学技术前沿。


    2017年5月18日,记者有幸采访到在北京科技大学作学术报告的何业东教授,深切地感受了他关于创新型人才培养的精辟见解。


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    何业东教授


    潜心探索创造规律

 

    不容置疑,科技创新是国家强盛之基、民族进步之魂,人才培养是国家向前发展的核心力量、新技术新材料革命的关键。何教授非常注重科研创新和人才培养,在教学科研的道路上砥砺前行,取得了满意的成果。


    何教授回忆,他曾在北京航空学院(现北京航空航天大学)学习与任教13年。在此期间,首创应力腐蚀裂纹内的电位、pH值、氯离子浓度的实测技术,研究了高强钢和铝合金应力腐蚀裂纹内的电化学行为;提出了电毛细现象对电结晶生核过程中的影响;参加研究推广低铬酸镀铬技术;发明铝的碱性化学抛光技术并在工业中推广应用;开展高温防护涂层研究,获得北航材料系第一项国家自然科学基金资助项目。


    1986年,他到北京钢铁学院(现北京科技大学)攻读博士学位,师从张文奇院长和朱日彰教授,获得博士学位后留校工作。曾在英国曼彻斯特大学做博士后,在新西兰奥克兰大学做访问教授。先后承担了国家自然科学基金、国家重大科技专项项目、国家863项目、省部级和企业合作等项目,在同事们和研究生的共同努力下获得了一批腐蚀与防护科学与技术的创新研究成果。


    在教学和科研的实践过程中,何教授越来越感到按照创造规律培养人才的重要性。在上个世纪末,他率先在北京科技大学为本科生开设了“创造训练” 课程,该课程被评为北京市精品课程。后来又给硕士生开了“创造的策略与方法”,在博士生的“材料研究前沿”课程中开了“材料研究中的创造策略与方法”讲座。


    何教授参考杜威的科学思维与科学探究的五步法和甘华鸣的《创新的策略》,提出一个创造过程与创造思维的基本模式(中国高等教育,2010,第7期,43-44)。创造的基本过程包括:培育创造的意识、提出问题、分析问题和实践检验四个基本环节。“发散思维,追求数量;收敛思维,科学评价”是创造思维的基本模式,始终伴随着创造的每一个环节。一个富于创造的人并非都是一下子提出最佳的创意,而是能产生众多的创意,再从中找出最佳的创意,因此,发散性思维是创造力的基本形式。收敛思维需要科学评价,体现了科学的严谨性。在创造过程中,创造首先需要动机,这种动机主要来源于人们对未知世界的兴趣和好奇心。其次,创造需要提出问题,这是创造的第一步。一个具有高度创造力的人必定是一个会提出问题的人。因此,质疑是科学精神的精髓。质疑精神的培养,不仅是学生个人思想和学识增进的必需,也是国家和民族能够不断反思过去、改革现在、求新求变 充满活力的必需。为了解决提出的问题,必须对问题进行分析,提出解决问题的各种方案。由于创造是一个从未发生过的事件,解决的问题方案必然是人们主观想象出来的。因此,分析问题最重要的品质是想象力,想象力是创造的源泉。但是主观想象的东西并不一定是正确的,提出解决问题的方案必须经过实践的检验,证明哪些是对的,哪些是错的。“实践是检验真理的唯一标准”,实践检验使人们由主观走向客观,获得符合客观规律的新认知。因此,创造活动是一个主观世界与客观世界的对立与统一的过程。


    何教授分析了目前培养创造型人才存在的障碍。他认为,由于创造是一个无限循环的过程,因此每一个环节都是不可或缺的。但人们往往强调或忽视某一环节,即不同的人不同的社会其创造的主要障碍是不同的。例如培根强调知识,提出“知识就是力量。”爱因斯坦强调想象力,认为“想象力比知识更重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉。”在中国特别强调“实践是检验真理的唯一标准”,但很多人忽视质疑、想象力、发散思维的作用,不理解发散思维中不符合客观规律的东西是难以避免的,成为提高创造力的主要障碍。


    根据上述创造过程与创造思维的基本模式,何教授提出创造性的人才应当具有相应的品格:强烈的创造欲望,执着的发散思维能力,敏锐的问题意识,丰富的想象力,百折不挠的实践毅力,严谨的科学态度。他认为培养创造力最基本的方法是按照性格形成的规律培养创造的品格。正如孔子在《论语》曰 :“性相近也,习相远也。” “少成若天性,习惯之为常。”近代心理学家威廉·詹姆斯的名言:“你播种行为就会收获习惯;你播种习惯就会收获性格;你播种性格就会收获命运。”何教授认为,一个人只有通过自己实践创造的行为才能形成乐于创造的习惯,坚持这种习惯必将造就优秀的创造品格,才能获得创造的成就。他还认为,知识传承和人的培养方式随着时代在转变,必须改变中国传统的以老师为主体的教育观念,需要建立新型的师生关系:共同实践创造教育,按照创造规律培养创新型人才。


    培养创新人才结硕果


    何教授在潜心探索创造规律的同时,积极尝试按照创造的规律培养本学生,以科研项目为平台,与学生共同实践创造过程,不仅在科研上获得了创新的成果,也培养了创新人才。


    何教授重视激发研究生的科研兴趣与好奇心。他的体会是,那些对研究表现出极大的兴趣,对“反常现象”充满好奇心的学生往往可以主动的开展研究工作,做出突出的创新性成果。


    1989年,在指导本科生课题组在研究乙醇溶液中电泳沉积铝粉时,发现电泳沉积过的合金样品的导电性能变差。博士生路新赢(现在清华大学工作)对这一现象非常感兴趣,他在扫描电镜观察中发现,合金样品表面沉积了一层致密的薄膜,形貌与溶胶-凝胶制备的薄膜极为相似。他对此进行了深入的研究,获得了沉积多种氧化物薄膜的规律。研究结果证明,在乙醇-金属盐溶液中电解,阴极表面碱度上升沉积出金属的羟基化合物膜,该膜在高温下热解为金属氧化物薄膜(Surface and Coatings Technology, Vol.79, (1996) p19. Corrosion Science, Vol.38, No.11, (1996) p 1853-1868.)。这种制备氧化物薄膜的技术比溶胶-凝胶技术要简便的多,具有广泛的用途,获得中国发明专利,至今,该技术在国际上仍被用来制备各种功能薄膜。


    2003年,中科院金属所的卢柯研究团队在Science上发表了论文 Nitriding Iron at lower temperature。他们采用机械研磨使铁的表面纳米化,然后实现了低温氮化。何教授看到这篇论文与研究生讨论能否采用一步法技术同时实现金属表面的纳米化和元素的快速渗涂。博士生詹肇麟(获得北京科技大学优秀博士论文奖,现在昆明理工大学工作,任材料学院副院长)对此非常感兴趣,自己设计、加工、组装机械研磨渗涂装置,通过三次改进装置,最终实现了高温合金同时进行表面纳米化与渗铝。在比传统渗铝低得多温度下(500℃左右)获得厚度为20~100mm具有纳米结构铝化物涂层和弥散纳米稀土氧化物的铝化物涂层。该研究获得中国发明专利,首篇论文发表在 Intermetallics,2006,No.1。


    在上述研究的基础上,何教授给研究生提出了一个好奇的问题:电镀和化学镀是一个个原子的沉积过程,能否在较弱的机械研磨作用下,改变镀层的结构,获得新的性能?这引起了许多研究生的兴趣。博士生宁朝晖(生病去世)建立了机械研磨电镀的装置,首次通过机械研磨电镀出具有纳米结构的镍镀层。硕士生付海峰(现为材料热处理学报编辑)在镁合金上机械研磨化学镀Ni-P镀层,发现获得Ni-P镀层结构细化,镀层由非晶态转变为晶态,镀层与镁合金形成冶金结合,镀层硬度显著提高,镀层的电位约提高了1V,具有优异的耐蚀性能。博士生平朝霞(现在北京市科委新材料中心工作)研究了机械研磨电镀Ni-P、Ni-P-SiC等复合镀层,镀层显微硬度高达1200Hv,提出了机械研磨促使晶粒细化的机理和Ni-P镀层由非晶态向晶态转变的机理。博士生赵广宏(获得国家奖学金,现在航天904所工作)研究了机械研磨化学镀Ni-纳米碳管复合镀层,涂层中复合的纳米碳管含量高达60%,涂层具有超低的摩擦系数。这些研究结果发表在Scripta Materialia, Journal of Applied Electrochemistry, Surface & Coating Technology 等刊物上。


    何教授善于抓住一些与已有理论有矛盾现象,理论之间的存在的逻辑矛盾和争论,不同技术的交叉,引导学生提出问题,开展创新性的研究。


    在二十世纪80到90年代,国际上非常重视高温合金的热腐蚀的研究,当时有关热腐蚀的理论主要是熔盐的酸碱熔融理论。由于熔盐是强电解质,因此电化学在热腐蚀过程中起什么作用是一个有争议的问题。何教授指导博士生穆道彬(毕业后在日本工作多年,现在北京理工大学工作)开展了热腐蚀中的微电池的研究。通过研究金属表面生成氧化膜在电解质中的电位这个基本问题(中国科学(A辑), 1995, Vol.25, No.5, p550-555),提出热腐蚀中存在的微电池过程主要由热腐蚀过程中金属及合金表面形成的不同氧化物、硫化物及氧化膜中的不均匀性及缺陷等因素引起(Corrosion Science, 1993, Vol.35, No.5-8, p1133-1139; 中国有色金属学报,1994,Vol.4, No.4, p26-29)。采用模拟电池研究了热腐蚀中电化学过程与酸碱熔融的关系,结果表明电化学过程与酸碱熔融都是热腐蚀过程的一个环节,具有相互依存的关系,该实验结果与理论模型基本一致(Simulating Experiment of Hot Corrosion Cell, TRANSACTIONS OF NF soc., 1995, Vol.5, No.4, p41-44)。


    何教授在撰写《高温腐蚀及耐高温腐蚀材料》(上海科学技术出版社,1995年)一书中的合金氧化理论时发现,Wagner的合金的选择氧化理论与合金由内氧化向外氧化的转变理论都与合金生成选择性氧化膜有关。提出既然两种理论都可以实现合金的选择氧化,而且合金发生选择氧化时与合金由内氧化向外氧化转变时的影响因素和效果是一样的,那么一个理论与内氧化无关,另一个则必须先发生内氧化,这两种理论有可能在逻辑上存在矛盾。在与博士生李正伟(毕业后在新西兰奥克兰大学工作多年)讨论后,提出一个大胆的设想:合金发生选择氧化可以无需发生内氧化,内氧化有可能是合金表面不能发生选择氧化的结果。李正伟设计、加工、建造了一套固体电化学氧泵系统,可以获得超低氧压的高温环境,用于定量研究合金的外氧化与内氧化,通过氧泵的电流可以测出金属氧化的动力学曲线,特别是测出生成挥发性产物的金属高温氧化的真实动力学曲线。获得中国发明专利,研究成果发表已在Oxidation of Metals, Vol.53, Nos.3/4, (2000), 323-339.Vol.53, Nos.5/6, (2000), 577-596. Vol.54, Nos.1/2, (2000), 47-62.。研究结果发现,所有的合金高温氧化都是在表面开始的;只有当合金表面不能生成连续的氧化膜时或生成非最稳定的氧化膜时,合金发生内氧化;当合金表面生成最稳定的选择性氧化膜时,合金内不发生内氧化。提出了合金由外氧化向内氧化转变的机理(Transition between external and internal oxidation of alloys, in Development in high-temperature corrosion and protection of materials, Woodhead publishing Limited, 2008, 36-58.)。


    二十世纪90年代初,中科院金属所采用磁控溅射的方法在高温合金上沉积纳米合金涂层,发现发生铝选择氧化的临界含量降低,抗高温氧化性能显著提高。何教授和他的研究生一起发展了多种合金表面纳米化与微晶化的技术。何教授偶然了解到中科院物理所有一套高能等离子放电装置,主动与中科院物理协商,合作研究采用这套高能等离子放电装置对Fe3Al金属间化合物进行表面改性。博士生王永刚(现天津民航学院材料学院院长)在研究中发现,经过高能放电处理,Fe3Al样品面宏观上没有发生尺寸的变化,但表面形成一层非常致密的纳米晶。Fe3Al表面纳米化后具有优异的抗高温氧化和抗硫化性能。王永刚在处理氧化动力学数据时发现,表面纳米化的Fe3Al样品的高温氧化不符合传统的抛物线规律(2次方规律),而是符合4次方规律。王永刚考虑到表面纳米化的Fe3Al高温氧化生成的氧化铝膜也具有纳米晶结构,这种纳米晶氧化铝膜的生长主要通过晶界的短路扩散控制。他创造性的提出纳米晶在高温氧化中受2个因素影响:(1)随着氧化膜的增厚扩散距离增加的因素,扩散速度与膜的厚度成反比,对氧化动力学的影响应当符合2次方规律;(2)纳米晶在高温氧化中晶粒以2次方规律长大。在这两种因素的共同作用下氧化动力学符合4次方规律,并给出了严格推导的公式(北京科技大学学报,1996, Vol.18, 增刊, p6-10;稀有金属材料与工程,1998, Vol.27, No.3, p149-151.),该公式已被高温氧化学术界接受和应用。何教授接着带领研究生建立小型的高能等离子放电装置,通过电极的移动实现合金表面的纳米化或微晶化。博士生庞红梅(现在中信银行工作)采用此装置制备了纳米晶FeCrAl+弥散10nm Y2O3球的复合涂层具有优异的抗氧化和抗剥落性能。博士生马静(现在河北科技大学工作)采用此装置在Cu-Cr合金表面制备纳米晶的Cu-Cr合金层,使不能发生Cr选择氧化的双相Cu-Cr合金发生了的Cr选择氧化,生成了Cr2O3保护膜。博士生徐强(现在天津大学工作)采用串联电脉冲沉积Fe-Cr-Y2O3,Ni20Cr-Y2O3等纳米和微晶涂层(Materials Letters, 56 (2002)85-92; 中国科学,2002,Vol.32, No.6, 728- 734.)。2015年,博士生邓舜杰(现在中国工程物理研究院工作)采用阴极等离子电解处理使大气喷涂的NiCoCrAlY涂层表面纳米化,生成选择氧化的Al2O3膜,显著提高的热障涂层性能(Journal of Materials Science & Technology,2016)。博士生赵广宏(获得国家奖学金,现在航天704所工作),博士生权成(获得国家奖学金,现在航天306所工作)和王鹏(获得北京科技大学优秀博士论文奖,现在航天306所工作)采用移动电极实现了阴极等离子电解沉积具有纳米结构的与基体合金冶金结合的金属,合金和金属-陶瓷复合涂层,发现了这些涂层沉积的规律并提出了相应的机理。


    这些研究为合金的抗高温氧化提供了新的技术途径和新的氧化理论。


    何教授鼓励学生在分析问题时养成发散性思维的习惯,充分发挥自己的想象力,提出新的研究思路、新的方法、新的理论模型。


    何教授引导研究生积极探索发展材料高温防护涂层的新思路。由于高温合金中的元素对高温力学性能与防护性能的作用是不能兼顾的,温度越高,这种矛盾越突出。通过在合金表面施加合金涂层使之发生选择氧化生成保护性的氧化膜是一种普遍的研究方法。既然高温合金最终实现保护靠的是氧化膜,我们为什么不能人为地在高温合金表面直接施加性能更好的陶瓷层来实现高温防护呢?提出了新型复合陶瓷涂层的研究思路:将复合材料,纳米/亚微米化引入到陶瓷涂层。使陶瓷涂层具有超塑、增强、增韧等非传统的力学特性,使陶瓷涂层具有与合金基体增强结合力;通过多重封闭合金基体的阻碍氧扩散的氧化铝薄膜,有效阻碍合金基体的氧化;使涂层具有优异的抗高温氧化性能。按照这种新的研究思路,研究生通过发散思维研制了多种复合陶瓷涂层。


    1、稀土氧化物微粒增韧涂层


    博士生高俊国(现在北京航空材料研究院工作)采用复合电沉积和微波烧结技术制备了Al2O3–Y2O3纳米复合涂层。博士生任超(现在北京一家公司工作)采用电泳沉积+微波热压烧结制备出了Al2O3/YAG复合陶瓷涂层。通过氧化铝的阻碍氧扩散的作用和稀土氧化物微粒的增韧作用,使这些复合陶瓷涂层具有优异的抗氧化性能和抗剥落性能。


    2、氧化铝包覆氧化锆复合涂层


    博士生任超采用纳米陶瓷粉-溶胶电泳沉积和微波加压烧制备出了纳米Al2O3包覆微米级YSZ的复合陶瓷涂层。博士生张鲲(现在西南交通大学工作)采用热压滤复合料浆法制备出具有类似结构纳米Al2O3-Y2O3包覆微米级YSZ的复合陶瓷涂层。研究表明,在这种复合涂层中,Al2O3或Al2O3-Y2O3空间网络膜对氧扩散起到了阻碍作用,显著降低了合金的氧化生长速率;YSZ提高了陶瓷涂层的热膨胀系数,降低了陶瓷涂层内的应力;Y2O3具有活性元素效应,极大地提高了合金的抗氧化性能和抗开裂、剥落性能。


    3、氧化铝/氧化锆层状复合涂层


    博士生高俊国采用电解沉积+微波烧结技术制备了ZrO2/ Al2O3微叠层复合陶瓷涂层,由ZrO2层与Al2O3层交替叠加而成,涂层具有纳米/亚微米结构。博士生姚俊奇(现在北京有色金属研究院工作)采用磁控溅射、电沉积及喷雾热解法制备了Al2O3/YSZ及(Al2O3- Y2O3)/YSZ层状复合涂层。研究结果表明,该类涂层具有优异的抗高温氧化性能和抗开裂剥落性能,并存在尺寸效应,即涂层性能随着涂层内氧化锆/氧化铝层厚比和层数的增加而得到提升。这种效应可归因于:涂层中氧化铝层可阶梯式阻碍氧的扩散;氧化锆层可调节热膨胀系数降低涂层的热应力;层状结构可增强增韧;陶瓷涂层可避免与合金发生互扩散。


    4、弥散贵金属微粒增韧涂层


    博士生马晓旭(现在国家电网工作)采用阴极电沉积法,热处理烧结技术制备出弥散微、纳米级的Au颗粒的Al2O3复合涂层。博士生王鹏(获得北京科技大学优秀博士论文奖,现在航天306所工作)和博士生邓舜杰(现在工程物理研究院工作)采用阴极等离子电解技术制备出多种弥散Pt微粒的Al2O3复合涂层热障瓷涂层。实验结果表明:该复合涂层具有优异的高温力学性能和抗氧化性能。弥散的贵金属颗粒的增韧作用优于活性元素效应。涂层中弥散的贵金属颗粒可通过塑性变形吸收裂纹的能量,阻止裂纹的扩展,提高涂层的断裂韧性,因此涂层具有优异的抗开裂和抗剥落性能。涂层中封闭的氧化物陶瓷基体可阻碍氧的扩散,弥散的贵金属颗粒可阻碍氧在陶瓷晶界的短路扩散,因而涂层具有优秀的抗高温氧化性能。


    5、贵金属包覆氧化铝复合涂层


    博士生马晓旭采用高能球磨、电化学沉积、热压烧结等方法制备具有微、纳米级的氧化铝颗粒镶嵌在贵金属(合金)基体结构的复合涂层。高温循环氧化实验和铝电解实验结果表明:该复合涂层具有优秀的高温力学性能、耐高温氧化性能和耐“冰晶石”熔盐腐蚀性能。涂层中的热应力可通过贵金属的塑性变形松弛掉。氧化铝颗粒的增强效应提高了复合涂层的强度和耐磨性。因此,该涂层具有优秀的抗开裂和抗剥落等力学性能。涂层中的贵金属可以有效封闭合金基体,实现理论意义上的抗氧化和抗冰晶石熔盐腐蚀。该复合涂层可以用于铝电解的惰性阳极,具有重要的应用前景。


    6、贵金属/氧化物层状复合涂层


    博士生高俊国采用物理气相沉积制备了Au (Pt)/Al2O3层状复合涂层。博士生马晓旭采用直流及射频磁控溅射方法制备具有氧化物陶瓷层和贵金属层交替叠加结构的复合涂层。这些贵金属/陶瓷层状复合涂层具有优异的抗高温氧化,抗热腐蚀性能。通过调整贵金属层的相对厚度,可提高涂层的热膨胀系数,降低涂层的热应力;贵金属层可通过塑性变形吸收氧化物陶瓷层中裂纹扩展的能量,提高复合涂层的断裂韧性,使涂层具有优异的抗开裂和抗剥落性能。涂层中的贵金属层可有效封闭合金基体,实现理论意义上的抗氧化和抗热腐蚀。此外,涂层中的陶瓷层不与基体合金发生互扩散,对合金基体的力学性能影响很小。


    这些技术获得多项中国发明专利,论文发表在Corrosion Science,Materials Chemistry and Physics, Journal of the European Ceramic Society, Surface and Coatings Technology, Oxidation of Metals等国内外期刊。


    何教授和研究生一起分析论热障涂层面临的基本矛盾。认为热障涂层中各层热膨胀系数差异导致的热应力不匹配导致涂层在TGO处发生开裂,是热障涂层失效的主要原因;隔热陶瓷层的相变、烧结与温度梯度导致的热应力导致隔热陶瓷层中发生开裂与剥落;合金粘结层与合金基体之间互扩散导致粘结层寿命降低,还导致单晶合金中析出有害相,产生二次反应区(SRZ),使基体合金高温疲劳寿命大幅度下降。提出用性能更好的复合氧化膜代替热生长的TGO,  用性能更好复合隔热层代替现有的隔热陶瓷层。引导研究生通过发散思维研制了多种新型复合热障涂层。


    博士生姚俊奇采用喷雾热解法和电子束物理气相沉积(EB-PVD)分别制备的(Al2O3-Y2O3)/YSZ层状复合粘结层和8YSZ顶层构成的新型热障涂层,研究表明,层状复合粘结层的引入显著地提高了热障涂层的抗高温氧化、抗开裂剥落及隔热性能。这种效应可归因于:层状粘结层具有优异的抗高温氧化和抗开裂剥落性能;粘结层可调节与合金基体及陶瓷顶层的热膨胀匹配性;粘结层可避免与合金基体发生互扩散。采用磁控溅射法和EB-PVD法分别制备的(Al2O3-Y2O3)/Pt和(Al2O3-Y2O3)/(Pt-Au)层状复合粘结层和8YSZ顶层构成的新型热障涂层研究表明,该类涂层具有优异的抗高温氧化性能和抗开裂剥落性能,粘结层在服役过程中结构由层状结构逐渐演变为贵金属颗粒弥散结构。这种结构演变可归因于贵金属良好的塑性和韧性带来的塑性变形等能量吸收机制。


    博士生任超采用溶胶-凝胶复合料浆、电泳沉积和微波热压烧结等方法,在金属基材表面制备了YSZ-(YSZ/Al2O3)、YSZ-(YSZ/YAG)双层结构热障涂层以及YSZ-(YSZ/Al2O3)-YSZ、YSZ- (Al2O3/YAG)-YSZ三层结构热障涂层。


    博士生张鲲采用热压滤复合料浆法制备的具有纳米/微米/微孔复合结构的YPSZ热障涂层,由于这种结构能够有效地降低声子热传导和对流热传导,因此涂层具有较高的热障效果。涂层的热障效果随料浆中溶胶含量的增加而增高。


    博士生高俊国采用溶胶-凝胶复合料浆和微波烧结技术制备了纤维增强热障复合涂层,所得涂层十分致密,纤维与基体结合紧密。中空Al2O3/ZrO2陶瓷纤维的加入不仅提高了热障涂层的抗开裂剥落性能,而且增强了热障涂层的高温隔热性能。ZrO2/Al2O3层状复合粘接层的引入由于其优异的抗氧化性能和高温力学性能进一步提高了纤维增强热障涂层的附着力和抗开裂剥落能力,增强了热障复合涂层对高温合金基体的整体防护性能。


    王鹏和邓舜杰等研究生采用阴极等离子电解制备出弥散Pt微粒增韧的六种Al2O3-Pt、Al2O3-ZrO2-Pt、YAG-Al2O3-Pt、YSZ-Pt、ZrO2-Al2O3-Pt、La2Zr2O7-Pt单层热障涂层和二种YSZ-Pt/Al2O3-Pt、Al2O3-Pt/La2Zr2O7-Pt双层热障涂层。获得的弥散Pt微粒增韧的热障涂层具有优异的隔热性能,抗高温循环氧化和抗剥落性能。涂层的断裂韧性测试结果表明,弥散Pt微粒热障涂层的断裂韧性显著提高。证明了厚的Al2O3-Pt涂层由于弥散Pt微粒增韧的作用和微孔结构可以成为单层热障涂层;薄的Al2O3-Pt涂层可以作为粘结层替代传统MCrAlY或Pt改性铝化物的粘结层,构成Al2O3-Pt/La2Zr2O7-Pt双层热障涂层,提高抗高温循环氧化性能;薄的Al2O3-Pt涂层还可以作为热障涂层的外层,构成YSZ-Pt/Al2O3-Pt双层热障涂层,提高涂层的抗高温循环氧化和抗热腐蚀的性能。证明了弥散Pt微粒增韧的La2Zr2O7-Pt单层低膨胀系数的隔热陶瓷层可具有优异的抗高温循环氧化和抗剥落性能。提出了弥散Pt微粒的增韧热障涂层的机理:弥散Pt微粒通过塑性变形吸收裂纹扩展的能量;弥散Pt微粒使裂纹尖端钝化;大量弥散Pt微粒可以降低裂纹的长度。


    这些技术获得多项中国发明专利,论文发表在Corrosion Science, Materials Chemistry and Physics, Ceramics International, Oxidation of Metals,  Surface and Coatings Technology等国内外期刊。


    这些研究为制备新型热障涂层,提高热障涂层的性能提供了新的理论和新的技术途径。


    何教授认为,培养创新型人才需要建立新型的师生关系,师生共同实践创造教育,在科研过程中与研究生一起践行“实践是检验真理的唯一标准”是非常必要的。


    何教授特别关注研究生的试验环节,尤其在试验遇到困难的时候,同研究生一起讨论研究的方案,一起进行试验验证。阴极等离子电解的研究就是一个典型的例子。在二十世纪末,国内外兴起阳极微弧氧化(属于阳极等离子电解技术)的研究热潮。由于阳极微弧氧化只能在阀金属获得氧化物涂层,何教授提出如果能实现阴极等离子电解沉积陶瓷涂层,就有可能在各种金属材料和导电材料上,如硅和碳材料,沉积各种陶瓷涂层,具有更为广泛的应用前景。何教授指导多名研究生开展了阴极等离子电解技术的研究,在与研究生一起不断探索提出新的研究方案(进行发散思维),坚持不懈进行试验验证,逐渐的掌握了阴极等离子电解的规律,获得了创新的技术。


    阴极等离子电解的研究关键在于如何诱发阴极表面均匀地等离子放电。第一位参加研究的博士生是杨晓战(获得北京科技大学优秀博士论文奖,毕业后在清华大学工作数年),采用在阴极表面生成阻挡膜诱发微弧放电,利用微弧的能量将阴极表面沉积的化合物烧结成陶瓷涂层。研究发现,通过预沉积一层绝缘膜可以诱发阴极微弧电沉积陶瓷涂层。详细研究了预制阻挡膜诱发阴极微弧电沉积8YSZ热障陶瓷涂层的影响因素、特点和机理。研究还发现,通过向电解液中添加氧化物胶体粒子,可以诱发阴极微弧电沉积。该研究获得中国发明专利,论文发表在Electrochemical and solid-state letters,5(3) C33-C34(2002) 和《科学通报》上。但这种技术只能在小样品上实现沉积陶瓷涂层。之后,逐渐认识到阴极析出氢气,形成氢气膜是诱发阴极等离子放电的主要原因。博士研究生韩伟(现在哈尔滨工程大学工作)研究了水溶液中气膜微弧放电产生的条件和影响因素,分析了气膜微弧放电的物理特性,揭示了气膜微弧放电在阴极与阳极之间转移的条件和机理。采用利用阴极气膜微弧放电产生的物理化学效应,在FeCrAl基体上获得表面光滑,与基体紧密结合、致密的Y2O3、ZrO2、ZrO2-Y2O3陶瓷涂层以及多孔的Al2O3陶瓷涂层,但仍然只能在小样品上沉积。硕士生赵海平(现在上海宝钢工作)采用小阴极的气膜微弧放电法制备出珊瑚状的碳纳米球、碳纳米管、碳纳米纤维和类金刚石薄膜。由于阴极的氢气膜等离子放电需要的电流密度很大,氢气膜很难在样品表面均匀分布,样品上的电场分布也不均匀,因此很难在大面积复杂形状的构件上实现均匀的气膜等离子放电,致使阴极等离子电解很难实现工业化应用。在研究停滞多年后,何教授将阴极等离子电解的研究集中到如何约束阴极表面氢气的传输上。指导博士生王鹏和邓舜杰生通过测试阴极等离子电解的电压~电流密度曲线,先后研究了阴极区施加微珠,阴极表面包覆泡沫塑料膜,阴极表面包覆涤纶布对阴极等离子放电的影响,结果发现可以实现均匀的等离子放电。由此推测到,水溶性无极性高分子有可能具有类似的约束氢气传输的作用。试验结果完全证明的这一效应。采用三种朝向的阴极表面获得的电压~电流密度曲线几乎重合,阴极开始等离子放电的电流密度降低了2个数量级左右。证明了在电解液中加入水溶性无极性高分子可以均匀地约束氢气传输,实现了均匀的等离子放电。硕士生刘晨旭(获得国家奖学金,现为清华大学博士生)研究了水溶性无极性高分子和溶胶约束氢气传输的协同作用,使阴极等离子放电的起弧电流密度进一步下降。通过实验,王鹏证明了阴极上一旦沉积出来陶瓷膜,阴极就转化为氢气膜和陶瓷膜双介电层的等离子放电。在实验结果的基础上建立了气膜/陶瓷膜双层放电机制,提出陶瓷层的导电性能决定双层放电的相对强度和涂层形貌:半导体涂层是致密的;离子导体YSZ涂层是致密的;电绝缘的Al2O3涂层是多孔的;陶瓷涂层掺杂碳、硅、碳化硅、贵金属微粒等可提高涂层的致密性。这些研究的共同特点是,通过反复实践检验提出的设想,解决了阴极等离子电解沉积陶瓷涂层的关键基础问题,开拓了该技术广泛的应用前景。因此,在科研中导师与学生共同坚持“实践是检验真理的唯一标准”是非常必要的。


    回顾自己的教育与科研经历,何教授感到值得欣慰的是,在按照创造规律培养创新人才方面不仅自己有收获,学生也有收获。他希望年轻教师在此方面继续探索,为国家培养更多更优秀的创新人才!


    后记:“不谋万世者,不足谋一时;不谋全局者,不足谋一域”。 科技创新强国,人才建设当先!面对全球空前的创新密集和产业振兴时代,创新型人才的培养无疑是国家核心竞争力的有力保障!唯有不断探索创新,我们伟大的祖国屹立于世界文明之林,才能俯仰无愧!

 

    人物简介


    何业东,男,1950生。曾任北京科技大学新材料技术研究院首席教授、博士导师,材料表面化学与技术研究室负责人,中国腐蚀与防护学会理事,高温腐蚀与防护分委员会副主任,中国稀土学报、中国腐蚀与防护学报和稀有金属学报编委。


    主要研究工作为材料的高温腐蚀与防护,材料表面化学与技术。曾承担多项国家863和国家自然科学基金项目。出版专著2部和教材2部,国内外刊物发表论文200余篇,其中,SCI和EI收录论文100余篇,多次在国际会议上做邀请报告,获发明专利20多项,获国家发明四等奖1项,省部级科技进步奖二等奖1项、三等奖2项,曾被授予北京市先进科技工作者称号,国务院特殊津贴获得者。

 

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