“有用是材料研究的灵魂” ——记2021年上海“最美科技工作者”丁文江

发布时间:2021-09-27

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丁文江,中国工程院院士。40年磨一剑,他创制了世界上性能最优、质量最轻的镁稀土合金,并先后创建了轻合金精密成型国家工程研究中心、上海市镁材料应用研究工程中心和上海交通大学氢科学中心,让镁材料在航空航天、医疗、能源等行业大放异彩。研究成果曾获国家技术发明一、二等奖、国家科技进步二等奖、国防技术发明一等奖等。


“材尽其性,顺性而为。”中国工程院院士、上海交通大学教授丁文江常把这句话挂在嘴边,这也是他30多年来专注轻合金材料研究最大的收获和感触。

在丁文江的眼里,镁不仅是实验室里需要精雕细琢的材料,而是能应用于各个行业和领域的神奇产品。他先后创建了轻合金精密成型国家工程研究中心、上海市镁材料应用研究工程中心和上海交通大学氢科学中心,让镁材料在航空航天、医疗、能源等行业大放异彩,实现了一代新材料支撑一代新装备的发展,开启了镁人体植入器件和镁固态储氢的新时代。

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01开启“镁”的轻量化时代

在上海交大轻合金精密成型国家工程研究中心展示厅,从民用的飞机座椅骨架到军工的导弹舱体,各种镁合金零件是丁文江院士团队的典型成果,更是他深耕镁合金领域30余载的“奖杯”。

丁文江选择镁合金作为科研方向不是兴之所至,而是紧紧和国家重大战略需求结合在一起,长期致力于研究和推进具有资源优势的镁合金在我国高端产品上的应用。

上世纪80—90年代,汽车和电子产品的轻量化工作日显重要。丁文江承担了桑塔纳轿车镁合金变速箱壳体和壳盖的研制任务。常规镁合金的燃点仅520℃,远低于合金熔点,导致其易燃而生产困难,经过无数个日夜,丁文江利用稀土和镁氧化物共电解的方法制备稀土镁中间合金,成功让“水火不容”的重稀土和镁成功结合在一起,开发出高性能的阻燃镁合金,将镁合金燃点提高至935℃以上。研发的阻燃镁合金批量应用于电子产品外壳和汽车变速箱。

2000年,丁文江创建了轻合金精密成型国家工程研究中心,如今这个研究中心已经成为我国重要的镁合金材料研发基地,也是世界镁合金研究最有影响力的团队之一。镁合金强度不高,承力比较差,在汽车轮毂、缸体、发动机支架等最需要轻量化的地方,难堪重任。经过长时间艰辛努力,丁文江团队发现镁稀土合金中的三角互锁析出强化相和热稳定结构,将强度从250MPa提高到500MPa,创制出了一系列新型高性能镁合金材料,新增合金牌号5个,国家标准5项,国际标准2项,还成功解除了镁合金一度不被允许用在民用航空业和汽车高端制造业的“禁令”。迄今已累计向社会输出技术40多项,直接孵化出了8家高新技术企业,直接产出达到数亿元。

中国已经具有镁合金的国际话语权,开启了“镁”的轻量化时代。

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02做“有效的科研”

“材料就是有用的物质,有用是材料研究的灵魂,材料的研究如果不是瞄准应用,就不能算是在研究材料,所研究的具体问题,必须是来自于产业需求,再回到产业需求中去检验。”丁文江就是以这样的理念,坚持在轻合金的世界里探索。

如今的镁材料,已经从当初的轻量化结构材料,挖掘和开发出了一系列新功能。

一次和医生的闲聊中,丁文江注意到,临床上广泛使用的骨折内固定器械大多由不可降解金属如不锈钢或钛合金等制备而成,临床上易引起应力遮挡效应而影响骨愈合,同时金属支架留在体内难以降解,不得不忍痛二次手术取出。

丁文江灵光一闪:镁可降解,且是人体所需的有益元素,能不能让镁合金替代传统的医用金属?原本活泼易氧化的特性限制了镁材料的工业应用,如今思路转变,这种特性反而成就了镁在医用可降解材料中的应用。

自2007年起,丁文江团队从临床应用需求角度出发,巧妙通过镁合金材料的“相电位调控”和微观组织结构设计,成功研发出了“生物相容性良好、强韧性匹配、均匀可控降解”的专利医用镁合金JDBM(交大生物镁)。同时,针对镁合金材料在体内降解过快产生氢气集聚的不良现象,丁文江团队历经数年攻关研发出了具有生物活性、本身可以降解,同时可以抑制基体过快降解的涂层专利技术,成功解决了该关键技术难题。镁合金接骨骨钉产品已经开展了16例人体临床试验,全部获得了成功。

在镁基能源材料领域,丁文江团队研发了高容量(>6wt%)、长寿命(循环>1000次)、低成本的镁合金固态储氢材料,研制的大型镁基固态储运氢车可实现吨级以上的氢气存储和运输,具有巨大应用潜力。

科研一定要做有效的科研,能够有所创新、做出技术原型,这都是有效的科研。无效的科研花费大量人力物力,却无法给人以启迪,也不能促进经济发展。而想要做出“有效的科研”,在丁文江看来,“沉得住气”是应该具备的首要素质。在一个领域不断进行深入研究、辛勤耕耘,长此以往,乐此不疲,才能根深叶茂。尤其是工科领域,更应关注国家的需求和民生的发展,把学术研究和生产力发展紧密结合,这样才能有更大的发展空间。

“寓精于料,料要成材,材要成器,器要好用”,这16字凝聚着一位材料人几十年的不懈追求。丁文江真正做到了将基础研究、应用开发、工程化研究和技术转移的有机融合。