张立同:我国国防科技工业领域唯一的女院士

小德 德先生 2019-04-05

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“我们一定要有自己的大飞机”,这是几代中国航空人的心愿。从1970年“708工程”启动至今近50年里,中国大飞机研制走过了一段艰难、坎坷、曲折的历程,也迎来了“而今迈步从头越”的新征程。


在我国航空工业五十多年的发展历程中,飞机和发动机经历了由引进到自主研发的转变。与之相对应,我国的航空材料与制造工艺也由“八国联军”的混乱状态发展形成了自主研发的航空材料与制造工艺体系,这一巨大进步为我国大飞机的发展奠定了坚实基础。


这背后,离不开一个人的默默奉献。她是我国国防科技工业领域唯一的女院士,几十年来从事航空航天高温材料技术及其应用研究,解决了国家急需的一系列重大关键技术,取得多项开创性成果,使我国高温陶瓷基复合材料的研究与应用水平进入国际前列。她就是西北工业大学教授,中国工程院院士张立同。


数十年扎根西北的女院士

1938年,张立同出生于重庆。她的童年是在抗日战争的烽火中度过的,那段在川、黔、桂逃难的经历在她的心中刻下深深的烙印。她的父亲是个忧国忧民的律师,父亲常说:“没有国哪有家”,从此“国家”二字在她心中深深地扎下了根。


抗战胜利后,父亲带着一家人几经辗转回到北京。张立同中学时就读于北京女一中,曾被评为当时为数不多的北京市第一批三好学生。


1956年,她以第一志愿考入北京航空学院热力加工系,1958年9月,随国家院系调整,她来到西北工业大学热加工系铸造专业学习。结束了5年紧张的大学生活,毕业后,她没有回北京,而是选择留校教书,从此与材料科学形影不离,在西北这块沃土上开始了她几十年的奋斗征程。


上世纪中叶起,高比强度、高比刚度的耐高温材料的不断进步促进了我国现代航空航天事业的发展。具有良好柔韧性的陶瓷,更是航空航天和现代国防等高科技领域的理想材料。


发动机作为飞机的心脏,解决叶片铸造变形问题是提高航空发动机涡轮叶片质量的关键。当时风华正茂的张立同在西工大担任助教,从事铸造技术方面的教学与科研工作。


张立同“啃”下的第一块硬骨头是解决航空发动机叶片铸造变形难题。上世纪70年代,发达国家已将一些重要的涡轮叶片生产由锻造改为无余量熔模精密铸造,叶片的工作面无需加工就可达到所要求的尺寸精度和表面光洁度。


而在我国,由于熔模铸造技术还十分落后,即使增加抛光余量的叶片,变形报废率仍高达30%~50%。巨大的浪费让张立同心疼,因为一片高温合金叶片的价格相当于她4个月的工资。


1973年,国防工厂派人到西工大,寻求无余量叶片生产的技术攻关支持。张立同了解到,这一技术难题久攻不破,国家航空事业就发展不上去时,她以一个科技工作者崇高的责任感,在那样一个批判“唯生产力论”的年代,勇敢承担了“高温合金无余量熔模精密铸造叶片新工艺研究”课题。


那个年代,国外技术对我国封锁很严密,研究经费有限,各种原材料奇缺,研究时限紧张,人手不够,而且张立同要研究的材料,超出了她所学专业的范畴,涉及其他几个学科。但是,抗战时颠沛流离的经历磨砺了她一股百折不挠的勇气和敢为天下先的锐气。


为了掌握需要的专业知识,她无数次地出入图书馆,在实验室做了上千次的实验,测试了上万个数据,整理了100多万字的实验资料,付出了巨大劳动。


经过半年不分昼夜的工作,从获得的数万个数据的分析中,她发现了刚玉陶瓷型壳的高温软化变形机理和叶片的铸造热应力变化的特点,寻找到叶片变形规律,首次从理论上全面揭示了航空发动机涡轮叶片在熔模铸造过程中的变形规律和本质,为无余量精铸工艺研究提供了重要理论依据。


为了搞清刚玉陶瓷型壳的变形问题和寻找新材料,她刻苦攻读陶瓷专业的理论知识、四处调研,在国内率先提出发展“具有优良中温抗姗变性“的高岭土陶瓷型壳材料替代昂贵的电熔刚玉的思路,先后研制成功上店土、峨边土等新型陶瓷型壳材料,成功地解决了困扰航空熔模铸造生产十几年的刚玉型壳高温变形问题。


1976年,我国有关国防工厂采用张立同创造的铸造工艺技术,生产出了第一个无余量叶片。张立同首次承揽科研攻关课题,一举成功。能够开发出这样的陶瓷是我国许多材料科学家毕生的梦想,她是幸运的,她从事的科学研究一直与航空航天事业有着密切的联系。


她研究的发动机叶片得到国外赞誉

1976年,我国引进英国斯贝发动机制造技术,其中陶瓷型壳材料、模料和陶芯等分属三个厂家专利,还需另花大量外汇去买。


在大家束手无策,进退两难时,张立同再次主动请缨,以攻关组自行研制的无余量熔模铸造技术与材料,替代英国相应材料技术,铸造斯贝发动机低压一级无余量空心导向叶片。


这个项目不仅涉及到大量研究工作,还涉及到不少材料的定点生产问题,1976年的地震天灾和人祸使得不少生产部门处于瘫痪状态,百姓惶惶不可终日,研究工作的难度是可想而知。但是,“国家需要”的号令鼓舞着她去克服困难,张立同带领课题组即使在“闹地震”的高潮中,仍然坚持在工厂。


为了寻找材料的定点厂,她跑遍了铜川矿区;没有设备仪器自己研制,开发的高温强度、透气性、膨胀、抗蠕变、表面湿润仪等十多种材料性能测试仪填补了国内空白。


一天深夜,她独自在实验室,由于劳累过度,一不小心被喷出的高温蜡糊住了双眼,灼热的痛苦以及旷日持久的疲劳几乎使她丧失信心,委屈伤心一刹那涌上心头。可是第三天,眼伤未愈,她又进了实验室。


凭着这种拼命精神,张立同带领课题组经过一千多个日日夜夜的奋战,用铜川上店土型壳材料铸造成功我国第一批高精度、低粗糙度的低压一级无余量空心导向叶片。


新铸叶片的尺寸精度及内部质量与国际著名的罗罗发动机公司的斯贝发动机叶片相当,表面粗糙度还略低于英国叶片。罗罗发动机公司得知这一情况后,特派一名专家将上店土型壳材料、模料等带回英国鉴定。


在精确的测试数据面前,罗罗发动机公司终于承认上店土是“高级莫来卡特”(莫来卡特是该公司所采用的世界“王牌”型壳材料),并表示该模料组织结构均匀,熔模是高标准的。


斯贝发动机的引进,使张立同的研究进入到向国际先进行列看齐的新阶段。这也使她深深体会到,在国与国之间的交往中,核心技术是买不来的,我们必须依靠自己的力量,我们也完全有能力依靠自己的力量掌握先进的技术。


铜川上店土型壳材料,也被正式命名为“中华高岭土型壳材料”。这一材料的诞生为我国进一步发展优质型壳材料开辟了一条新路,满足了国内高精度熔模铸件的要求,生产的铸件远销国外,产生了巨大的经济效益。


据初步统计,仅使用“无余精铸工艺“所减少的铸件废品及采用上店土所降低的成本,每年在一个厂就节约数百万元。


8年时间完成国外20年的攻关历程

为了给国家的航空航天和国防建设提供优质的陶瓷材料,1987年,步入中年的张立同凭着一个优秀科学家特有的敏锐,果断地提出了发展航空航天高温结构陶瓷的科研新方向,她毅然向“陶瓷基复合材料技术”这个一般人不敢问津的课题发起了挑战。


两年后,张立同作为高级访问学者来到美国NASA空间结构材料商业发展中心实验室,承担了美国未来大型空间站结构用连续纤维增韧陶瓷基复合材料的探索研究工作。她带领美国研究生,用一年半时间研究出三种低密度、高比强、高比模的陶瓷基复合材料,并通过了空间环境试验。


国外研究经历坚定了她发展“具有类似金属断裂行为的连续纤维增韧高温陶瓷基复合材料”的决心和占领这一高技术领域的信念。1991年,张立同怀着报效祖国的强烈愿望带着国外的研究成果回到西北工业大学。


这项技术,当时只有法国和美国在上世纪90年代初期才步入应用研究阶段,因而在材料构件的制造技术与设备方面对我国实行严密封锁。



为了在我国发展连续纤维增韧高温陶瓷基复合材料,她到处呼吁,四处奔走,争取经费,却没有得到支持。


他们非但没有灰心,却开始体会到这项事业的艰难。课题组在经费十分困难的情况下,因陋就简自制了一台热压机。1992年的冬天西安特别冷,为了调试热压炉他们在冰冷的实验室度过了春节。功夫不负有心人,课题组很快在热压自增韧氮化硅性能上取得突破性进展。


1993年的全民经商风又给张立同课题组带来了新考验,是放弃航空材料研究去搞开发,还是坚持发展陶瓷基复合材料的方向?经过一番讨论,“要发挥群体力量去赚钱,稳定队伍、积累资金、等待机遇发展陶瓷基复合材料”成为大家的共识。


全组齐心协力,当年就在高温陶瓷材料的应用开发上取得了很好的经济和社会效益。利用挣来的钱,还研制了一台纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料制备的小型CVI炉,拉开了“碳化硅陶瓷基复合材料研究”的序幕。


他们先后做了4代设备试验了400余炉次,整整用了3年时间,在1998年底终于制备出第一批性能合格的试样,又经不断改进于1999年全面突破了碳化硅陶瓷基复合材料制造工艺与设备的一系列核心关键技术,材料的性能达到国际先进水平。


张立同和她的团队用8年时间完成了法国人20年的攻关历程,使我国一跃成为继法国和美国之后,全面掌握碳化硅陶瓷基复合材料制造技术及其设备的第三个国家,她和她的科研团队再一次突破了发达国家对我国的技术和设备封锁。


做一位真正的学者

“学者两事,道德文章”,在张立同身上体现的人格魅力深孚重望。在国外时,一位电子工程教授请她剖析一种电子材料的功能故障,她很快解决了。这位教授十分感激,要付高额酬金,她用“中国人更注重友情”婉言谢绝,美国教授称赞她是“一位真正的学者”。


一位中国博士研究生在论文中遇到一个透射电镜制样中的材料难题,前一个法国留学生因没有解决这个难题被教授“炒了鱿鱼”,这位中国学生也面临着同样的窘境。张立同立即伸出援助之手,指导他很快解决了难题。


材料系专业一般为铸、锻、焊、热处理,乍一听让人发怵,对于女生尤甚。当女生们每每感叹她所取得的成绩时,张立同总是说,科学研究是不拒绝女性的,关键是要有执着的精神和忘我的劳动。年轻人应该坚信,没有跨不过的高山,没有做不成的事。


她经常对她的女学生说,不论男人还是女人,一定要活得有价值价值不在于高低贵贱,而在于对别人、对社会的贡献女同学从心理、智力上都不比男同学差,男同志能办到的事,女同志同样能办到、在她的鼓励和感召下,个别对自己所学专业存在畏难情绪的女同学,对自己的事业有了正确的认识。


在张立同的周围,活跃着一批朝气蓬勃的年轻人,她领导的研究室已经形成一支高层次、结构优化、拼搏创新的学术梯队。她严谨的治学思想、辩证的治学观点和创新的治学态度结出累累硕果:她培养的硕士生中,有80%攻读了博士学位,已毕业的30多名研究生的大部分已在各自岗位独领风骚。


一个女人能走多远?张立同以自己突出的业绩做了回答,她登上了许多男性也难以企及的高峰。她先后主持国家和部委级重大和重点项目30余项,获国家科技进步一、二、三等奖共4项,省部级一二等奖13项,获准发明专利6项,发表论文260余篇。先后获“全国三八红旗手”、“国家级有突出贡献中青年科技专家”等荣誉称号。


在常人眼中,这够得上风光耀眼了,但对待名利荣誉,张立同却淡泊以视。多年来,无论是报奖还是定职,张立同从来不争,甚至申请中国工程院院士,也是领导反复动员后才填的表。在她的心目中,惟有事业最风光。



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