姚萍屏：不舍攀登，挺進(jìn)“粉末冶金摩擦學(xué)材料”創(chuàng)新高地

◎ 文/王 鵬

姚萍屏，中南大學(xué)粉末冶金研究院教授，博士生導(dǎo)師，湖南博云新材料股份有限公司副總裁,目前兼任湖南省摩擦學(xué)會理事長、中國機械工程學(xué)會摩擦學(xué)分會常務(wù)理事、中國機械工程學(xué)會摩擦耐磨減摩材料與技術(shù)專業(yè)委員會主任委員、中國機械工程學(xué)會粉末冶金分會理事、湖南省機械工程學(xué)會常務(wù)理事、《潤滑與密封》期刊雜志編委等學(xué)術(shù)職務(wù),長期從事高性能粉末冶金摩擦、耐磨、減摩材料等新材料方面的研究工作，先后主持和承擔(dān)了國家“863計劃”、鐵道部重大技術(shù)引進(jìn)與吸收項目、中國民航總局航空制動材料項目和國防軍工攻關(guān)項目等30余項課題的科研任務(wù)。

時至今日，姚萍屏教授已與材料科學(xué)打了20多年交道。在科技創(chuàng)新的道路上，他不舍攀登，執(zhí)著前行，不斷挺進(jìn)“粉末冶金摩擦學(xué)材料”的創(chuàng)新高地。特別是近年來,他帶領(lǐng)中南大學(xué)粉末冶金研究院的粉末冶金摩擦學(xué)材料團隊，緊盯國家重大技術(shù)需求，刻苦攻關(guān)，數(shù)次打破國外關(guān)鍵技術(shù)封鎖，并成功實現(xiàn)新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化落地應(yīng)用，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟社會效益。

如今，在神秘遙遠(yuǎn)的空天、飛速穿行的高鐵上，都“傳唱”著他和團隊創(chuàng)新的故事。

唱響中國航天自主創(chuàng)新之歌

2016年10月19日凌晨3時，神舟十一號載人飛船與天宮二號空間實驗室成功實現(xiàn)自動交會對接。許多人通過電視畫面，見證了這一激動人心的時刻。

“交會對接”之所以受到格外關(guān)注，一方面因為它是執(zhí)行航天任務(wù)的關(guān)鍵一環(huán)，另一方面還因為它是一項非常復(fù)雜的工作。

空間交會對接技術(shù)是指兩個或多個航天器在太空軌道上合并連成一個整體的技術(shù)，是實現(xiàn)航天站、航天飛機、太空平臺和空間運輸系統(tǒng)的太空裝配、回收、補給、維修、航天員交換及營救等在軌道上服務(wù)的先決條件。對接過程中存在減速、碰撞對接及對接失敗時迅速脫離等三種工作狀態(tài)，為了降低接觸力和保護(hù)對接機構(gòu)，就需要用到減震及制動裝置，也就需要用到摩擦副，因此，摩擦副性能的穩(wěn)定性，直接關(guān)系到航天器空間對接的成敗。

長期以來，國外一直對該技術(shù)采取保密策略。在此背景下，姚萍屏率隊攜手中國航天八院，開展了空間對接機構(gòu)用摩擦副材料的研制。

通過大量實驗與對比，他們從基體、合金化元素、摩擦潤滑組元在空間環(huán)境下的協(xié)同作用機理出發(fā)，研制了一種新型空間對接專用粉末冶金摩擦副，并通過環(huán)境模擬實驗，分別研究了空間原子氧腐蝕和空間輻照對摩擦副摩擦磨損特性的影響機理，以及高真空狀態(tài)、高低溫交變狀態(tài)及微重力混合狀態(tài)下全功能摩擦副耦合摩擦磨損機理及空間摩擦副失效預(yù)防機制。在這些技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，最終研制出性能更優(yōu)異的摩擦副，已在天宮一號和神舟八號、九號、十號飛船以及天宮二號和十一號載人飛船、天舟貨運飛船的多次交會對接不辱使命，并將在后續(xù)的中國空間站建設(shè)中再次建功立業(yè)。

空間用全功能摩擦副打破了國外對我國航天的技術(shù)封鎖，為我國航天事業(yè)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

打破國外高能制動材料技術(shù)封鎖

制動裝置是高鐵和飛機等高速運載工具的重要安全件，受到普遍重視。制動裝置中使用的摩擦材料則直接關(guān)系到它的性能，因而對高鐵和飛機的安全運營至關(guān)重要。

粉末冶金材料被認(rèn)為是很有潛力的高能制動材料，但由于以鐵為基體的粉末冶金摩擦材料，使用壽命短，且在高能制動條件下，易出現(xiàn)與配對鋼件的熔焊現(xiàn)象，為了保障高鐵和飛機的安全行駛，急切需要開發(fā)新型耐高溫耐磨損粉末冶金摩擦材料。應(yīng)對這一技術(shù)需求，美、日、德等國均開展了高和飛機用新型粉末冶金摩擦材料的研制，并獲得應(yīng)用。但對國內(nèi)，國外配套廠商均實施技術(shù)封鎖，使得國內(nèi)相當(dāng)長時間內(nèi)粉末冶金航空剎車副和高鐵閘片全部需要依賴進(jìn)口，價格昂貴，直接提高了航空公司及高鐵的運營成本。因此，研究我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型高能制動粉末冶金摩擦材料，成為當(dāng)務(wù)之急。

響應(yīng)國家對新技術(shù)戰(zhàn)略需求的號召，姚萍屏教授率領(lǐng)自己的科研團隊聯(lián)合湖南博云新材料股份有限公司，開展了一系列創(chuàng)新性研究。

他們通過制備一種新型的銅基體及應(yīng)對高溫和抗熔焊的高體積分?jǐn)?shù)非金屬組元的新型粉末冶金摩擦材料，實現(xiàn)了高能制動條件下材料的高耐磨性；通過發(fā)明的雙粘結(jié)劑技術(shù)、梯度升溫和梯度加壓組合的加壓燒結(jié)技術(shù)，解決了高含量非金屬組元粉末冶金摩擦材料混合不均勻和宏微觀復(fù)合不良的難題；開發(fā)的三維混料技術(shù)、低流動性粉末的雙層自動壓制技術(shù)和流線控制的動片加工等技術(shù)，保證了產(chǎn)品的綜合性能和高可靠性；他們還通過建立宏微觀摩擦磨損試驗方法，為相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)驗收標(biāo)準(zhǔn)的制定，提供了技術(shù)支撐，構(gòu)建起材料性能測試的新方法，確保了制品性能滿足實際應(yīng)用的需求。

該項研究，取得中國民用航空局頒發(fā)的零部件制造人批準(zhǔn)書5項，發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文40余篇。并且，項目成果已成功在飛機和高鐵上實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，不僅降低了航空公司及高鐵的維修成本，更保障了國家航空與高鐵的戰(zhàn)略安全。

該項目獲得2013年湖南省科技進(jìn)步一等獎，姚萍屏教授排名第一。

助力中國風(fēng)電事業(yè)向“大功率”邁進(jìn)

除了空天等“高大上”領(lǐng)域，姚萍屏團隊的成果在更接地氣的民用領(lǐng)域如風(fēng)能發(fā)電方面，同樣找到了施展的舞臺。

自2011年開始，中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)步入穩(wěn)健發(fā)展期，大容量風(fēng)電機組主導(dǎo)了未來發(fā)展趨勢。而隨著風(fēng)力發(fā)電機裝機容量的增大，其葉輪直徑和制動力矩也變得越來越大，這對風(fēng)機制動系統(tǒng)的制動性能提出了新的要求。在風(fēng)力發(fā)電中，制動系統(tǒng)是發(fā)電機一個重要的組成部分。其作用是在風(fēng)機葉片朝向改變、風(fēng)力機出現(xiàn)故障、電網(wǎng)故障或維護(hù)檢修要求停機時，改變?nèi)~片的迎風(fēng)面或使風(fēng)機停止轉(zhuǎn)動。

大功率風(fēng)電機組由于“三高一特殊”的特點，即高速、高力矩與高壓力和需面對特殊風(fēng)沙或腐蝕環(huán)境，這對其裝備中的摩擦副材料的結(jié)構(gòu)強度等特性提出了相當(dāng)苛刻的要求。普通的鐵銅基粉末冶金摩擦材料由于高速制動摩擦系數(shù)低等原因，不能滿足大功率風(fēng)電機組的制動技術(shù)要求。

此前，大功率風(fēng)電機組用摩擦材料必須依賴進(jìn)口，制約了我國風(fēng)電的發(fā)展。

為解決上述問題，姚萍屏再次率隊踏上了自主創(chuàng)新的“突圍之道”。通過設(shè)計新型高體積百分比非金屬組元摩擦材料，采用新型的成型與熱處理技術(shù)，解決了風(fēng)電機組用摩擦材料在加工過程中的變形開裂與使用過程中的崩塊問題，最終成功研制出一種在“三高一特殊”條件下符合使用性能，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能風(fēng)電用摩擦材料。

驗證表明，姚萍屏等人開發(fā)的新型風(fēng)電閘片材料各項指標(biāo)均達(dá)到了國際先進(jìn)水平，獲得了廣大風(fēng)電生產(chǎn)商的認(rèn)可。目前這些新產(chǎn)品已在國內(nèi)多家公司的風(fēng)電制動器上獲得了應(yīng)用。

要始終走在摩擦材料科學(xué)前沿，勇攀高峰

姚萍屏做研究，始終瞄準(zhǔn)國家重大需求，堅持以解決實際問題為目標(biāo)，以創(chuàng)新研究為驅(qū)動，并堅持走產(chǎn)學(xué)研結(jié)合之路。在實踐中，他和團隊探索了學(xué)校-企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新及長效服務(wù)合作機制、“項目-團隊-人才”融合的創(chuàng)新模式。同時，他堅持技術(shù)創(chuàng)新與人才培養(yǎng)齊頭并進(jìn)，大力提倡國際學(xué)術(shù)交流和合作，增強團隊國際化視野，培養(yǎng)了一支老中青結(jié)合結(jié)構(gòu)合理的高能制動摩擦材料研究和產(chǎn)業(yè)化隊伍。

這些努力為他們團隊的科研水平始終走在摩擦材料科學(xué)前沿，以及新成果產(chǎn)出后的迅速產(chǎn)業(yè)化落地，打下了堅實的基礎(chǔ)，并獲得2016年中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎。