陶瓷研究的破冰者——记国家“青年千人计划”入选者、昆明理工大学冯晶教授

○文/肖延胜

陶瓷研究的破冰者
——记国家“青年千人计划”入选者、昆明理工大学冯晶教授

○文/肖延胜

先进热障涂层陶瓷及其它高温陶瓷领域的研究，与矿冶高温设备和管道、大型工业燃气轮机、航空航天领域的发展息息相关。目前我国急需自主创新的热障涂层等陶瓷研究。在这一领域，一位青年学者的研究不可忽视。

他曾在清华大学和哈佛大学学习与工作，主要从事航空发动机陶瓷热障涂层材料的力学及热学性质研究，在陶瓷的高温相变、结构设计、各向异性、光弹铁弹性及理论预测等方面获得了较为突出的研究成果。他发表SCI收录论文80余篇，EI 收录论文6篇，其中第一作者论文31篇，通讯作者25篇。他担任一份SCI检索杂志客座主编，目前为三十余份国际著名期刊的审稿专家，已为国际期刊审稿500余篇次。1984年出生的他，目前获批国家发明专利14项，其中6项排名第一，9项进入Derwent 世界专利数据库。2015年，他入选中组部第十一批“千人计划”青年人才。他就是昆明理工大学的冯晶博士。他究竟有哪些重要的研究成果呢？

高温铁弹相变增韧陶瓷热障涂层

目前，以航空发动机为代表的一系列燃气轮机技术和基础科研严重限制了我国大飞机、战斗机、坦克、军舰、潜艇、发电厂等领域的发展。陶瓷热障涂层是燃气轮机中最重要的材料之一，直接或间接决定了燃气轮机的效率和能力，因此，相关的研究也就显得尤为重要。

“我研究获得了新型高温铁弹相变增韧陶瓷YTaO4，采用第一原理结合朗道相变理论，深入描述了该铁弹相变机制的物理图像，发现一种新的固体相变模式，即软模引起的赝弹性相变。”冯晶告诉记者，他的研究将为解决目前陶瓷热障涂层存在的问题及提升其高温性能开辟了崭新的道路，并对相关其它方面的研究提供了基础。

冯晶开展的正是高温条件下具有铁弹效应的新型陶瓷热障涂层材料研究。他采用准温度效应的第一原理计算方法描述了高温陶瓷的光弹性，通过高能激光在超高温下原位检测陶瓷裂纹及应变，并结合计算定量描述了陶瓷高温相变、裂纹对光谱的影响。

这也就意味着，冯晶研究的新型热障涂层材料能通过高温铁弹效应作为缓冲带，通过缓慢吸收和释放能量来减轻发动机材料压力，并具有更低的热导率从而大大提升航空发动机性能，相关性能指标将达到或超越美国现役材料，如高温热导率低于1W/ m.K，热扩散达到0.4mm2/s，热膨胀系数不低于12*10-6/K等。

据悉，冯晶的研究成果有望在下一代热障涂层材料中使用，这将使我国发动机涂层材料站立于世界科技前沿。

陶瓷动力学原位检测及设计

众所周知，传统陶瓷理论发展已经相对较为成熟，然而由于陶瓷本身的复杂性使得以往几乎所有的陶瓷理论都基于宏观唯象论，从陶瓷初始制备到最终产品，性质影响因素极多且复杂，以致现代陶瓷虽然发展近百年，但是仍然难以进行定量研究，反而落后于很多新兴学科。

冯晶采用现代尖端前沿技术，即变温原位XRD，Raman，光致发光谱仪，电学测试仪等观测纳米尺度、微米尺度下陶瓷形成的动力学过程，最大限度简化影响因素的耦合作用，从而突破了传统难以定量研究的陶瓷动力学。

“我基于弹性力学结合第一原理计算，对稀土锆酸盐、稀土铝酸盐、稀土锡酸盐、稀土磷酸盐等复杂氧化物进行了力学、热学各向异性描述，根据声子在晶体中传输的各向异性特征，推导出了半经验热导率三维各向异性的表达式，首次对单斜结构的传输各向异性进行表征。”说起自己的研究，冯晶如数家珍。他告诉记者，他还对以稀土磷酸盐为代表的陶瓷可加工性物理机制进行探索，提出了判断陶瓷可加工性的标准，推进了可加工陶瓷研究的进程。

冯晶的贡献不止如此。他对镱掺杂氧化锆的高温热障涂层材料力学及低热导机制进行了较深入的表征，更新了目前对低热导，高热膨胀陶瓷化合物的基础研究，并在获得规律的指导下，设计并合成了新型低热导高热膨胀系数的复杂稀土铝酸盐Ba6RE2Al6O15。

据了解，复杂稀土铝酸盐的高温热导率低至0.98W/m.K，热膨胀系数达到14*10-6/K，其综合性能指标迄今为止尚未在世界上被打破。

此外，冯晶还对多种稀土化合物的电子结构、价键与强度、电子自旋、声子谱、振动模式、红外及拉曼光谱进行研究。

有专家评价冯晶的研究，结合计算与模拟，从电子-原子尺度解决陶瓷形成的路径图像，精细描述每一步的化学反应过程，对比原位实验测量结果从而解释相关科学机制，阐明陶瓷结构-性质的科学规律，为进一步设计新型先进陶瓷打下基础。

陶瓷本征性质及“基因组”数据库

先进陶瓷在生产实践中应用广泛，并拥有能源转换，存储，结构增强，光学器件等功能性质，以形成陶瓷动力学为基础，从元素的化学特性入手，以计算材料为工具，建立陶瓷宏观与微观性质联系的纽带，是新型陶瓷材料设计的基础与根本。冯晶对此有深刻的认识，他的研究就是这么做的。

冯晶对钢铁材料中的陶瓷增强相如各种碳化物、氮化物、硼化物进行了长期较详细的力学性质研究。“我对其作为钢铁中的增强相效果进行了机制探索，并着手建设钢铁中合金元素作用的‘基因组’计划数据库。”冯晶这样对记者说。显然他对自己的这一工作很满意。

冯晶以后还打算适当拓展自己的研究方向，进一步扩宽相关基础的应用范围，为进一步的新型陶瓷性质计算与设计提供基础。而他对相关数据库的建立则有助于加快陶瓷研发的周期和节约生产资料，符合未来“绿色”研究的方向。

2015年初，冯晶回到了自己的母校——昆明理工大学。在这里，他将在研究项目的过程中发掘陶瓷涂层制备技术，从而产生高科技产品及高技术合二为一的新材料新技术，基础研究的结果将得到具有低导热、抗磨损、耐高温、防氧化、环保型高性能陶瓷及其涂层技术。有关人士预计，先进陶瓷涂层及其技术项目预计三年内直接经济利益将达到2.56亿元，间接经济效益将达到12亿元。