包亦望：“简单”没那么简单

赵广立

用一个非常“简单”的方法解决了大问题。有人跟包亦望开玩笑说，你这是用“雕虫小技”解决世界难题。

如果不是他亲口所说，记者不会相信，坐在面前的这位中国建筑材料科学研究总院的首席科学家、因填补国际多项材料评价空白而获得国家科技进步奖二等奖的包亦望，最初的灵感竟来源于自己曾是一名木匠。

“做木匠的经历对我而言非常重要，它培养了我的动手能力，这对我的科研有莫大帮助。”包亦望对记者说。

超过1500℃甚至2000℃的极端高温条件下，如何评价材料的可靠性？在无机非金属材料评价领域，类似的对材料刚度、强度等力学性能的评价，到处是这样大大的问号。然而，包亦望发明的一些看起来“非常简单”“一点就破”的方法，把这些问号变成了一串惊叹号。

简单的背后，并没那么简单。

跟木匠“专业对口”

包亦望高中上了才一个学期，就被母亲撺掇着辍学：“卖田卖地不卖手艺”，“手有千金不如一技傍身”，托人把他送到木匠师傅那里学木匠活。

其实母亲是被“下放”吓怕了，当时包亦望的哥哥和二姐都是“知识青年”，都被下放到很远的地方。

木匠学徒的日子清苦得很。包亦望每天一早起来要先砍一担柴，早饭只有一碗粥和一个红薯。白天帮活儿，晚上还要帮师傅带小孩。一天下来，满手都是血泡。

这样的日子，包亦望干了不到一年，就受不了了。“我过着这种苦日子，感觉像回到了旧社会。”包亦望说，当学徒的第一年就是抡斧子拉锯子，干不满三年，师傅根本不会传授任何诀窍。

他开始琢磨着怎么自学成才。一次回家，包亦望在新华书店看到一本关于自学木工的书，他就买回家抱着“研究”了几个月。后来，再出门接活儿就自称“师傅”。

就这样，包亦望当了两年木匠。由于没有组织，平时只能靠熟人推介点活干。幸运的是，当时有政策安排“留城待业青年”就业，包亦望服从安排，被分到县商业局，谋得了一份商店营业员的工作。

那时候包亦望十几岁，营业员的工作能让他“走后门”帮人买一些烟酒糖茶，他暗自觉得这个工作还不错—直到听说同学考上大专的事情。刚开始他还不太相信：“大学不都是推荐的吗？”

1977年国家恢复了中断10年之久的高考，这燃起了包亦望的大学梦。“我也要考！”包亦望的想法很简单：营业员这个工作我可干不了一辈子。

高中没怎么上过的他，考大学谈何容易。“要么不做，要么做好。”包亦望主动包揽了商店里所有的夜班—这可乐坏了其他营业员。对包亦望来说，夜深人静的夜班正是学习的好时机。

1978年是第一年全国统考。商业局90多个考生，包亦望考了第一名。

成绩归成绩，报什么学校和专业呢？他的老师给他建议：你不是学过木匠吗？武汉建材工业学院（现武汉理工大学）是重点大学，跟你专业对口。

从此，一入建材行业就是几十年，包亦望笑着说：“这个‘专业对口还真是对口了。”

回国干自己想干的事

包亦望刚进入大学第二个星期，新生里要成立“师资班”，所有新生都要参加师资班（突然招生规模变大，需要师资力量）考试。因为只考数理化，包亦望考得不错，其中物理考了99分。

原本，包亦望被分到非金属矿系。当时他对这个专业不甚了解：“我见过人家采矿，一个人拿钢钎，一个人拿锤子，凿石头，然后把炸药塞进去爆破。考上大学还得干这个？”

由于物理成绩很好，力学系的辅导员把他叫去，跟他说力学界有很多大名人，牛顿、爱因斯坦都是有名的力学家，中国的“三钱”，也是力学泰斗。“我一听，就说‘我去我去。”就这样，包亦望去了“力学师资班”。

不过包亦望后来并没有如愿当上老师，而是在专业上一头钻了进去，先后考取了研究生和博士生，并于1995年在博士后研究申请到了德国的洪堡基金。

在德国的导师推荐了他一个赴美工作的机会。然而包亦望并不是很“买账”。“在国外你很多时候就得服从，就算你有主意也得老板点头同意。虽然赚得多，但我觉得不一定特别有发展，回国至少能干自己想干的事儿。”

带着这样的想法，他回到了读博时的中国建筑材料研究总院。也就是从那时起，包亦望逐渐完成了他从基础研究到应用研究的转型，转而探索一些材料检测的新技术和新方法，并开始在材料评价这个舞台上大放异彩。

“雕虫小技”解决世界难题

由于动手能力强，总能对问题的解决想出很多点子，大家都喊包亦望为“包管用”、“点子王”。

1986年，美国“挑战者号”航天飞机在发射升空73秒后突然爆炸解体，机上7名宇航员全部罹难，全世界为之震惊。事故分析显示，发射段的隔热瓦脱落及其随后撞击到机身重要部分，造成不可修复的损害而致机身解体是事故发生的重要原因。

“表面隔热瓦是一种无机非金属材料，可以耐热2000℃以上。它本身是焊接在金属表面的。但它界面强度不够，脱落后立刻因高温摩擦穿透而爆炸。”包亦望对记者解释说，界面强度（两个物体的表面粘连面）的重要性不仅体现于此，许多高空楼体表面的瓷砖如果界面强度不够，容易瓷砖脱落，高空坠落的后果不堪设想。

然而，那时国际上对界面强度的性能评价还是个空白。脆性材料难以直接进行拉伸载荷试验，高温下测试更难。

一个博士生也来找他咨询这个世界性难题：怎么测陶瓷与金属焊接面的拉伸强度？如何采用压向载荷在界面产生均匀的拉伸应力和剪切应力？包亦望陷入了苦思冥想。一天，他突然想到，如果把一块陶瓷一块金属十字交叉焊接在一起，然后把下面的部分放在一个固定槽里，上面的一块就跨在了槽两边，这样施加正向压力和立起来后施加推力，不就可以实现界面受拉、界面受剪（切）了吗？

实验证明，这种办法简单可行。由于结构陶瓷很多情况下用于高温环境，高温界面强度的评价如果采用耐高温陶瓷夹具，也可以实现高温界面强度的测试。从而一举攻克了高温环境下的测试难题。而“十字交叉法”也经ISO/TC 206精细陶瓷标准化委员会17个永久性成员国全票通过，立项为ISO标准（常温下和高温下各一），也一举填补了陶瓷材料常温和高温界面黏结强度的测试空白。

用一个非常“简单”的方法解决了大问题，有人跟包亦望开玩笑说，你这是用“雕虫小技”解决世界难题。

国际突围

包亦望的“点子”往往都是这样，只要他跟别人讲完了，听讲者大都如梦初醒：“哦，原来这么简单。”

他近期发明的一种标准方法亦是如此。更重要的是，在该方法的国际标准制定上，他们赢下了优势在握的其他国家。

陶瓷涂层难以从基体上有效剥离，因此难以直接、准确测试涂层的密度、强度、弹性模量（刚度）等宏观力学性能。然而知道涂层的这些指标很重要：它能反映涂层的耐久性。

包亦望这次来了个“围魏救赵”。“大家都知道怎么用阿基米德法测密度，我想到这个思路：在涂上涂层之前测一次密度，涂上涂层之后再测复合体的密度，通过建立这3个密度之间的解析关系式，就能算出涂层的密度。”

“这个方法叫作‘相对法。”包亦望告诉记者，相对法的核心就是几个参数之间的解析关系式，只要有关系式，这个方法还可以推广用于测量涂层的弹性模量、强度、膨胀系数等。

2013年ISO组织向全世界征求陶瓷涂层测试技术时，包亦望提交了相对法的解决方案。然而，几乎同样的方法，其他国家也在申请。

双方要“PK”。最终双方的提交案送到了ISO顾问的手里，由他进行仲裁。

通过对原始资料的对比分析，仲裁人发现中国送呈的原始材料先于其他国家（2007年包亦望等人在《Mater. Sci. &Eng.》刊文介绍过该方法），裁定原始创新出自中国。ISO随后也将此标准制定项目由中国主持，其他国家作为参与国参加。

除了原创性，中国的方案也更具有普适性，覆盖了从常温到高温各种力学指标的测量，比单一“评价陶瓷热障涂层的弹性模量”适用范围更广。

填补更多空白

包亦望发明的相对法还可以解决过去国际上许多测量“禁区”。其中一个很具代表性的，就是中国在超高温极端环境下的突破。

航天飞机、火箭喷火段周围温度达2000℃以上，而国际上材料性能测量的极限是1500℃，再往上就属于“极端环境”。而随着航天航空行业的发展，极端环境的性能检测越来越紧迫。

要在如此高温下测量，首先夹具、支撑物的材料就得耐高温。为了解决这个问题，包亦望又动起了脑筋。

他想到了相对法：夹具耐不得高温，那就给它冷却，只让测量部分承受高温不就行了？

“局部高温同步加载法”应运而生。通过循环水冷系统，包亦望让夹具周围温度不超过800℃，而通过对样品预期断裂处局部快速加热，能达到2500℃。这样，就能“不动声色”地完成对超高温极端环境下材料强度的测试。

然而，刚度评价就没这么简单了。测强度，传感器放在高温炉外部就可以了，但是测弹性模量要测变形，而且是微米级别的变形。

包亦望将相对法升级，提出“缺口环法”。他把样品加工成类似戒指的环，分别测有缺口的环和同等外形的刚体，两者在高温真空下测量结果之差，就是它的弹性模量。

这是包亦望今年春节刚刚解决的难题，能够测到2200℃。“我们已经和ISO联系，初步草案和申请书已经交上去了。今年8月份去作陈述。”包亦望告诉记者，估计立项的可能性很大，因为1500℃～2500℃范围内弹性模量的测量是个空白。

不仅填补方法上的空白，包亦望也在填补仪器上的空白。“把仪器做出来，让大家都能用。”他说。

目前，包亦望团队已经研制出国际上首台能够测试1500℃～2500℃极端环境下材料力学性能的装备。

（文章来源《中国科学报》）