原创《解低温材料之谜拓高分子应用之路》
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1812年,有着“战争之神”美誉的拿破仑战队,不幸兵败俄罗斯.所有看似偶然的事件背后,必定有着某些必然因素,但也许令拿破仑没有想到的是,其中的必然竟是一颗小小的纽扣.
对于常年生活在四季温和环境下的拿破仑军队来说,俄罗斯的寒冬,无疑成为军队前行最大的阻力.军队的军服上采用的是锡制纽扣,常温下的锡坚硬且稳定,但一旦遇到低温,锡就会发生物理反应而变成粉末状.由于衣服上没有了纽扣,数十万大军在冰天雪地中敞开着衣服,许多人被活活冻死,得病而死的也不在少数.
一颗小纽扣,一个简单的物理反应,竟成为决定一场战争胜败的关键要素.如今,随着科技的发展,科研工作者对低温材料的研究越发深入,人们不会再犯锡纽扣这样的错误,对低温的追求也已不再是零下几十度,而是正在向绝对零度发展.中国科学院理化技术研究所肖红梅副研究员以及她所在的低温力学与复合材料团队,常年围绕低温技术在功能高分子中的应用开展低温研究平台建设,并在低温技术应用研究方面散发团队的光和热.
从低到高的跨越
2004年,肖红梅来到中国科学院理化技术研究所从事功能高分子方面的研究,几年之后她慢慢接触到低温材料领域,从那时起便萌生了一个想法：能否将低温材料与功能高分子相结合呢？如今,已经在这条研究路上走过第14个年头的肖红梅,仍然坚持着自己最初的科研理想.
说起最平常不过的温度,其实就是一种表示物体冷热程度的物理量.从广义上讲,只要温度低于300k,就属于低温.但狭义上来看,温度划分也有着明确规定,一般来说,环境温度到120K温度区间称为普冷区,120K到0K温度区间称为深冷区,其中20K到0K区间又被称为超低温区.肖红梅团队所致力于的低温材料与功能高分子结合的研究中,最典型的应用如航天、国防和应用超导等高科技领域中材料的使用温度,就正是在20K到4.2K的超低温区间.
而应用这条路,走得并不顺畅.提起低温技术,大多数人想到的多是对材料的负面影响.肖红梅对此解释到,就拿塑料来说,一般温度下尚能保持正常状态,一旦遇到寒冬,就会发生开裂.“也就是说,低温状态下,材料的韧性降低了,这也就是我们常说的低温对材料产生的负面影响.”肖红梅补充道.
其实,低温状态对材料并不是只有负面影响,在某些方面,低温对材料的性能也会有一定的促进作用.对此,肖红梅举例说明,瑞士出产的手表、军工产品因其超高的质量可靠性而闻名世界,那在同样寒冷低温的瑞士,这究竟是怎么做到的呢？
原来,早前阿尔卑斯山一带的工匠在制作出手表与军工产品后,无意之中将产品埋藏于雪地中,一段时间后再将其取出,却惊奇地发现材料的耐磨性、硬度等特性与之前相比,都有了大幅提升.不仅表针走得更准,使用时间也变长了.“低温工艺对材料不是只有负面影响,促进作用也是存在的.”肖红梅说道.
为此,她与团队看准了这种积极作用,致力于将低温技术与功能高分子结合在一起,使其在航空航天等高技术领域里物尽其用.“如果将高分子材料换成任何一种其他材料,结果都不会尽如人意.”虽然对于肖红梅团队来说,这是一个不小的挑战,但兴趣决定一切.团队不畏艰难,在低温材料与高分子领域里,不断前行,实现着从“低”到“高”的跨越.
众人拾柴火焰高
近年来,大型低温工程发展迅猛,新型功能材料在超低温下的应用也变得愈来愈广泛.开展新材料超低温力学性能研究,并将低温技术应用在新型功能材料中,不止是目前材料及实验力学领域的前沿研究之一,也是中国科学院理化技术研究所低温力学与复合材料团队的主攻方向.当前,团队研究已然呈现出基础科研、应用研究以及军工等高技术研究三足鼎立的局面.
其中,在低温研究平台建设方面,团队着手于为国内低温材料研制和使用单位提供标准和结构件的低温性能检测和监测.在理化所的10多年来,肖红梅团队已经为国内20多个低温材料研制和使用单位提供了合作研究和技术服务.由于做出的突出贡献,2017年,低温力学与复合材料团队还获得了中国国家标准化管理委员会第二批标准立项项目的支持.有了强有力的后盾,团队将在以前工作的基础上,建立我国复合材料超低温温度区间的第一个国家标准——《定向纤维增强聚合物基复合材料超低温拉伸性能试验方法》.
此外,在航空航天等高技术领域里,低温材料也尽情发挥着自己的作用.低温力学与复合材料团队将低温技术应用研究主要瞄准低温树脂基体、低温纤维增强复合材料和功能高分子的低温处理技术.而在多种低温材料中,改性环氧树脂以其优异的性能独占鳌头,被广泛应用于航天、超导等大型低温工程领域.肖红梅认为,以改性低温环氧树脂为基体,以纤维为增强相得到的纤维增强树脂基复合材料,其优异的比强度、比刚度和材料性能可设计性也许会“无人能及”,在可重复使用航天运载器和I T E R等领域的应用前景也将大为可观.为此,肖红梅团队从分相结构设计出发,采用不同分子链构型的高分子相互配合,使其具备了刚柔特性,从而改善了树脂基体在低温环境下的韧性和强度.在改性后的低温树脂基础上,团队又有了新思路：将其与增强纤维结合.最终,团队得到了纤维增强树脂基复合材料,具备了其他材料没有的优异低温强度.
获得诸多成果,肖红梅不仅感叹加入了一个好团队.她指出,自1999年建立中国科学院理化技术研究所以来,团队始终以“和谐”为宗旨,尽管人数不多,但大家都相互理解,相互支持,既有分工也有合作,每个人都在其位,尽其职,为低温材料与功能高分子研究的发展默默努力着.
作为团队的一员,肖红梅感到无比光荣,也对未来充满信心.在她看来,科研首要就是明确方向,知道自己在做什么,能做什么；其次就是找到与之共同进退的同伴.所幸,在中国科学院理化技术研究所低温力学与复合材料这支团队中,肖红梅找到了这样的同伴,并会在科研路上继续与团队并肩作战.科
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