解决世界级难题，让中国战机领先世界的范景莲究竟有多牛？

 

        高超音速飞行器包括弹道导弹、拦截导弹、巡航导弹、机动再入飞行器、跨大气层飞行器等。它们采用的超音速冲压发动机被认为是继螺旋桨和喷气推进之后的“第三次动力革命”。

 

以高机动性、远距离精确打击为主要技术特征的高超声速飞行器已成为航空航天的主要发展方向，在未来的军事、政治和经济中将发挥重要的战略作用。近20年来，世界航空航天大国纷纷以高超声速天地往返系统、高超声速导弹和高超声速飞机为目标，开展了一系列的研究，形成了热潮，成为各国抢占空中和空间战略优势的利器。

 

据外媒预测称，在未来10年即将问世的各大高新科技中，高超音速武器将是一个可以轻易改变战争游戏规则的杀手锏，任何防空系统在高超音速武器面前将毫无用武之地，这也是中美俄这三个军事强国相互角逐的根本原因。

但是相比于亚声速、中低超声速飞行器，高超声速飞行器飞行高度可达到离地面20~100km的大气层空间，飞行速度是高于5倍音速，即5马赫（MH）（6000km/h），长时间飞行执行任务，会面临十分苛刻的热环境。

 

要知道，飞行器在以超过 5 倍声速的速度飞行时会产生高温，由气动加热显著，其前端关键结构部件表面产生2000至3000摄氏度高温，承受强表面氧化和高动压高过载冲击，高温不仅引起结构热应力，降低材料力学性能，还可能导致材料出现熔化、升华、氧化烧蚀等破坏，传统的金属材料难以满足使用要求。

由此研制高超音速飞行器的首要条件就是要具备能抵御超高温度的材料，不然，飞机进入大气层空间刚刚达到5马赫的速度，机身就开始融化，都不需要敌人动手，就凉凉。

 

另外，高超音速飞行器还需要满足长时间、反复使用的需求，对所选用材料的高温强度性能要求更严格，所以高超声速飞行器的热防护系统必须同时具备耐高温、强度高、韧性好、质量轻和环境稳定性好等特点，结构材料兼有热防护与承载的双重作用。

但热防护高的难熔材料存在高温强度低、抗氧化能力弱、而且密度大（是航空发动机用镍基金属的2.3倍）等致命弱点，其在超高速飞行器中的应用几乎没有先例。受限于此，如何解决超高音速飞行器的热防问题，是国际公认最突出技术难题。

 

而直到范景莲教授的出现才解决了这一难题。早在1998年，31岁的范景莲教授就提出了“纳米复合”概念，即用纳米技术细晶化钨合金，这在国内外都是首创。

 

在此之前，传统粉末冶金方法采用微米级元素粉末混合，原始粉末的纯度、粒度、晶粒度、均匀性等对制备高性能钨合金起着决定性作用。

 

再加上传统粉末混合存在粉末成分不均匀、烧结活性差,导致传统钨基复合材料存在强韧性和组织均匀性差的问题。而范景莲却设想金属元素实现原子、分子级的原位复合。

范景莲通过研究发现，采用金属盐溶液混合,通过调节pH值、添加表面活性剂和控制ZETA电位,使金属离子形成胶粒,利用胶粒之间产生静电-空间位阻协调作用机制，获得纳米溶胶体，实现了粉末各元素的原子、分子级水平的均匀分布;通过快速喷雾干燥获得了由n个纳米粒子组成的空心球壳状非晶态或微晶态前驱体,就可以保持原子级水平原位分布。

 

纳米技术细晶化钨合金的具体流程

最终经过多次实验，范景莲发现末超饱和固溶使W-Ni-Fe粉末产生低温熔融特性转变，在1350至1450摄氏度烧结时，可达到99%以上的致密度。最终开发出了“溶胶-喷雾干燥-多步氢还原”制备超细/纳米钨基复合粉末的纳米原位复合技术：

1实现了钨基复合粉末元素高均勾分布，和超饱和固溶、合企化，使原本互不相溶W - Cu粉末形成W0.6Cu0.4合金相，微量稀fY能与W形成复合氧化物相，并建立了纳米原位复合超地和固溶理论；

2开发了“稀土微合金化-瞬时液相烧结”制备细晶W - Ni- Fe(Cu)合金的技术，实现了高强制、高均质，突破传统W-Ni-Fe(Cu)粉未混合-高温液相烧结埋论和技术缺陷；

3开发了“低温直接步烧结"制备细晶W -Cu材料的技术，实现了W - Cu材料的细晶、高致密、报分可调，打破了传统W- Cu熔渗技术缺陷，开发了高强塑性匹配细品W Cu 材料。

范景莲的研究成果通过技术和装备集成创新，研制出系列新型高性能钨基复合材料和超大尺寸钨材，形成了多种规格和品种的产品，被广泛应用于航空航天、武器装备.原子能等国防工业领域和微电子信息、电气工程、机械加工等尖端技术领城。为保障国家安全做出了重要贡献；超大规格钨材在国内11家企业推广应用，同时产品出口国外，提升了我国的核心竞争力。

 

经南京理工大学科研人员多次试验证明，在相同发射药量的情况下，细晶弹的侵彻深度较普通钨合金穿甲弹提高了33%至39.5%，穿孔直径减小了5.8%，产生了和贫铀穿甲弹一样的“自锐化”效应，这为最终取代贫铀合金穿甲弹指出了一条光明的道路。细晶化钨合金技术也同样适合于破甲弹杀伤威力的提高，据资料披露，其研制的高致密、高延展性的高毁伤钨-铜纳米超细晶破甲药型罩材料，其静破甲深度提高了20%至31%，被用户评价为“性能远超国内外水平”。

而在高超音速飞行器的材料问题上，范景莲更是在全世界创新性地提出了微纳复合的概念。

一次，一篇有关杂交水稻的报道让范景莲灵光乍现，如果用超高温陶瓷材料和难熔金属实现“微纳复合”，是不是可以像杂交水稻一样，实现双方优势互补，既有陶瓷的高熔点、低密度等特性，又拥有金属的延展性呢？

这样的想法比范景莲之前提出的纳米技术细晶化钨合金更为大胆，因为把“金属+陶瓷”形成复合材料在国际上都还没有人进行尝试。

范景莲教授：咱们的常识要成为社会、国家的财富,为咱们的国家服务,占据一个世界领先的位置。

因为这两样一个是有机材料，一个是无机材料；一个导电导热，一个不导电导热；一个可延展，一个没有延展性，可谓根本没有“复合”的基础。

 

经过层层的试验，在2012年材料样件刚刚面世的时候，当时由于没有企业可以加工量产新型材料，范景莲团队决定自己加工生产，团队一共“众筹”100万元，在长沙麓谷租借一处民房，买来一台普通车床自己进行加工。

 

每天晚上，范景莲带着学徒席地而坐，一边看设备说明书，一边摸索操作，逐渐掌握诀窍，做出简单样品。

而要做出复杂零部件，还需要一台价值两三百万元的五轴五联动数控车床，在原长沙机床厂的厂长的指点下，范景莲先买一台三轴的，然后再买轴组装，这样就只需要花三四十万元。

 

在经历了重重困难之后，她的团队终于研制出“轻质难熔金属基复合材料”，高温强度提高5倍以上、密度降低一半，这种微纳复合轻质难熔金属基复合材料实现了难熔金属高温强韧、轻量化和抗烧蚀一体化设计，其高温强度比现有超高温难熔金属提高5倍以上，密度降低1/2;经风洞和发动机反复考核，材料无破坏、近零烧蚀，可实现空气中超高温环境下的长时间抗烧蚀、抗冲刷、抗高过载冲击。

范景莲称，这款材料就像水泥和鹅卵石的搭配，鹅卵石就相当于陶瓷颗粒，水泥就相当于难熔金属，在高温下颗粒将难熔金属固定下来。

 

2014年，范景莲带着一批一直从事新材料研究的博士、硕士、工程人员，在宁乡高新区管委会的扶持下创建长沙微纳坤宸新材料有限公司，2017年实现批量生产，完成3大类产品的军工鉴定与定型，

 

范景莲的轻质难熔金属基复合材料经过实验，能经受3000℃以上的高温，可以满足我国超高音速飞行器在大气层内以5到20倍音速飞行数小时的苛刻要求。

可以说范景莲世界首创超高温陶瓷材料和难熔金属实现“微纳复合“，实现了难熔合金的轻量化和近零烧蚀，为航空航天重大工程，超高速飞行器，国家高新工程提供了一种极为关键的超高温材料，填补了世界空白，做到了世界领先水平，而这种材料也被称为“范纳米”。我国在超高音速飞行器研制上也成功领先了全世界。

 

这种材料研制出来的飞行器核心部件，在5倍音速以上也就是通常1700米每秒速度的飞行过程中，不会受到空气摩擦以及高温气流的破坏，为高超音速飞行器的任务飞行轨迹提供有效保证。

 

2019年，范景莲的企业已经成为航空航天、国防军工和兵器船舶领域多个型号产品的唯一供应商。范景莲的成果不仅将被运用于高超音速飞行器上。

如今还被拓展应用于空空导弹、空地导弹的高能固体火箭发动机，满足了火箭发动机在大推力、高动压、耐3000℃以上的强的抗冲刷、抗冲击和抗烧蚀性能要求，成为多项国家重大高新工程和型号的关键高温部件唯一材料。

 

其中，研制开发的耐高温烧蚀复合喷管和空地导弹发动机飞行喷管已通过用户单位组织的产品鉴定，应用于新一代歼16，歼20战斗机配套的远程，超远程空空导弹、空地导弹上，为大幅提高我军战斗力做出了突出贡献。