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千锤百炼铸辉煌

 ——记国家技术发明奖一等奖获得者、西北工业大学教授张立同及其团队

  张立同院士作为学术带头人,以自己的人格魅力培养和凝聚了一支以年轻博士教授为骨干力量的、敢打硬仗的、高水平的学术团队。在几十年的发展过程中,张立同科技创新团队从小到大,从弱到强,在艰苦的环境中经受住了无数次失败与挫折的考验,并依靠团队成员的集体智慧走出了一条成功之路。高等学校是一个人才集中的地方,高校科研的最大优势就在于充分发挥高校的人才优势,几乎每一项高校重大科研成果的取得,都离不开这种团队合作精神。更为难能可贵的是,张立同科技创新团队不仅注重团队精神的培养,还针对新形势下青年学生的思想实际,加强了本科生、硕士生、博士生的个人道德素质教育,使实验室充满了积极向上、奋发努力的良好氛围。在我国教育事业快速发展的今天,宣传、学习他们的先进事迹必将进一步激发教育战线师生员工勇于创新、努力工作的积极性,推动我国教育事业的发展。

  3月28日,中国西部高校唯一的女院士、西北工业大学67岁的张立同教授又一次站在领奖台上,从党和国家领导人手中领取了2004年度技术发明奖的最高奖项——国家技术发明奖一等奖。

  自1963年从西北工业大学热加工系铸造专业毕业留校工作至今,张立同已数不清自己究竟多少次登台领奖。尽管获奖对她来说早已是家常便饭,但此番获奖却倍加引人注目——连续6年空缺的国家技术发明奖一等奖终于实现了“零”的突破!

  张立同等人的这项获奖成果为“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”,利用该技术研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料,是一种国际上公认的反映一个国家先进航空航天器制造能力的新型热结构材料。

  这种材料比铝还轻,比钢还强,比碳化硅陶瓷更耐高温、抗氧化烧蚀,克服了陶瓷的脆性,并且类似金属不会发生突发灾难性破坏。用其替代金属材料可解决目前航空航天器燃料20%至30%浪费的问题,以满足其向高速度、高精度、高搭载和长寿命发展的需求。这项技术具有广泛的应用前景,潜在市场每年约10亿元人民币。

  科学有险阻 苦战能过关

  张立同1938年出生于战火纷飞的重庆,抗战胜利后随家人几经辗转回到北京,就读于北京女一中,1956年考入北京航空学院热力加工系,1958年随国家院系调整来到西北工业大学热加工系铸造专业学习。毕业后,张立同留在了西工大,将自己事业的根系牢牢扎在了大西北的黄土地上。

  20世纪70年代初,张立同承担了“高温合金无余量熔模精密铸造叶片新工艺研究”课题。当时,经费有限,仪器奇缺,资料空白。面对困难,她与工厂技术人员、工人一起跟班生产,自己动手研制了成套的测试仪器。

  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,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。这一研究成果引起同行的极大关注和高度评价。

  为了搞清刚玉陶瓷型壳的变形问题和寻找新材料,张立同刻苦攻读陶瓷专业的理论书籍、四处调研,在国内率先提出发展“具有优良中温抗蠕变性”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,我国引进英国斯贝发动机专利,但其中无余量叶片铸造用的模料、制壳材料、陶芯等分属另3个厂家专利,需另花上百万美元去买,就连其中做型壳材料的型砂也要从国外进口。了解到这些情况,张立同心潮难平。

  “我来干!”张立同以一个科技工作者崇高的责任感承接了这项急需攻关的项目,昼夜不分地忙了起来。张立同要研究的材料超出了她所学铸造专业的范畴,涉及其他几个学科。为了掌握需要的专业知识,她一头扎进图书馆,刻苦攻读。并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。

  一天夜里,张立同在实验室做实验,高温蜡喷出,糊住了她的双眼,眼球被烧伤。夜深人静,她只好让爱人陪着到医院看急诊。第三天,眼伤未愈,她又进了实验室。凭着这种拼命精神,张立同与伙伴们经过1000多个日夜的奋战,研制出高温、透气、膨胀、抗蠕变、表面湿润等10多种材料性能测试仪,并通过对数十种材料进行系统的调查测试和微观分析后所得出的上万个数据进行理论分析比较,终于研制出了该工艺所需要的模料,筛选出较为理想的新型壳材料——陕西铜川上店土。

  1980年,用铜川上店土型壳材料铸造成功我国第一批高精度、低粗糙度的斯贝低压一级无余量空心导向叶片。张立同主持研究的这一成果,不仅将我国熔模铸造水平推向国际先进行列,而且还为发展我国新型发动机复杂内腔叶片及薄壁复杂整体构件奠定了理论和工艺基础,因而荣获1985年国家科技进步一等奖。

  石膏型熔模铸造是国际上20世纪70年代发展起来的一种新的铸造工艺技术,使用它可以铸造出无需机械加工的大型薄壁、复杂的铝合金无余量整体构件,因而它被广泛应用于航空航天技术领域中,但该工艺是国外厂家的专利,国内尚属空白。

  1984年4月15日是张立同难忘的日子,这一天,她主持的“薄壁复杂无余量整体铝合金构件石膏型熔模铸造技术研究”通过了部级鉴定。来自全国的知名专家和学者对这项研究成果给予了很高的评价,认为该成果接近国际先进水平。该成果于1985年荣获国家科技进步二等奖。

  航空熔模铸造用高温陶瓷材料是常规高温陶瓷耐火材料无法替代的新型材料,这些材料不解决,将阻碍我国中推比航空发动机涡轮部件的研制工作。张立同挑起了研制重担,在国家自然科学基金的资助下,她带领研究生深入研究了高温陶瓷组成、显微结构与高温性能的关系、高温陶瓷是晶相与玻璃相的变化规律,创新了玻璃相的分析方法,解决了多组元非平衡系统中相计算的难题,首次从本质上揭示了Al2O3-SiO2系陶瓷型壳的蠕变本质,连获国家科技进步三等奖2项,省部级科技进步一、二等奖4项。

  1989年4月,作为高级访问学者,张立同赴美国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。

  1991年1月,张立同回到西工大。近两年的国外研究经历使她更坚定了发展“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。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。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。

  经过不懈努力,“连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料”终于列为国防预研课题,而意想不到的困难却接踵而来。张立同和她的科研团队夜以继日地泡在实验室做试验,却做不出一炉性能合格的试样,“九五”课题中期检查时,差点被亮了黄牌。当把实验型技术与设备向工程型转化时,所遇到的困难几乎使张立同课题组丧失信心!

  失败更增加了强者的斗志。他们先后做了四代设备,试验了400余炉次,整整用了3年时间,在1998年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,从此打破了西方国家对我国的技术和设备封锁,获得了6项国家发明专利,形成了具有独立知识产权的制造工艺及设备体系,建成我国第一个超高温复合材料实验室。采用该技术制备的多种陶瓷基复合材料构件在不同发动机上均一次试车成功,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3个国家。

  科研成功的前提是理论创新,张立同和她的创新团队冲破国际上“纤维性能越高越好”和“复合材料越致密越好”的误区,提出“陶瓷基复合材料新型强韧化理论”,成为“高性能、低成本制备技术”核心发明的理论支撑,在本领域国际权威刊物上连续刊登相关论文10多篇。

  张立同及其研究群体在胜利面前没有止步,及时提出了要做强、做大的发展新思路,已逐步形成基础研究、应用研究和应用开发相融合的发展链条,发展产业、降低成本、建立中国品牌。

  大团队出大战斗力

  10年前,张立同明确提出:“只有技术上的创新才能在科研项目中取得跨越式发展,而技术创新往往是集体创新,需要一支高素质的青年教师队伍和技术人员队伍”。

  1991年,根据国际高温结构材料的发展趋势,张立同果断建立了科技团队,用超前的思维和战略的目光抢占了陶瓷基复合材料这一国际前沿领域。面对当时持续不断的出国热和经商风,她以自己的人格魅力和满腔热忱稳定了团队成员。

  10多年来,张立同教授科技创新团队从小到大,从弱到强,在共同的事业中,他们经风雨,共患难,既经历了成功的喜悦,更多的是经受住了失败的打击,在创新中发展,在发展中壮大。

  如今,这支队伍已成长为一支以年轻博士、教授为骨干力量,实验技术人员和研究生群体为主要成员的具有高学历、高素质、高效益,敢于创新的科技团队,承担了超高温复合材料领域的国家级基础研究、自然科学基金、杰出青年基金、重点预研和“863”等各类项目42项,科研经费达5000多万元。为国家培养硕士、博士和博士后高层次人才200多名,先后荣获国家、省部级科技进步奖20余项,获准发明专利18项,发表学术论文500多篇,被SCI、EI和ISPT收录引摘300多篇次。

  该团队中除了张立同院士外,还有成来飞教授、李贺军教授、徐永东教授、李克智教授、乔生儒教授等。这些骨干成员在重大项目的技术攻关中发挥了主导作用。

  在长期的科研实践中,张立同的言传身教感染着课题组人员。她对课题组人员提出“三发”和“三高”的要求,“三发”即“在国家、学校和课题组的发展中求得个人的发展”;“三高”即要求“学术水平高,工作质量高,成果效益高”,这成为她建立一支团结协作、富有战斗力的学术团队的指导思想。

  “现在我已60多岁了,也许在院士中还算年轻,但必须承认,已步入人生历程的老年期,创新思维的鼎盛期已过。我要将核心地位逐渐转移到年轻人身上,为他们搭建一个尽情施展才华的舞台。”张立同说。

  本着“技术创新需要大团队,大团队需要大平台,大平台才能出大成果”的理念,张立同一直在努力搭建一个平台,一个提供全方位材料科学研究的大舞台,一个产学研相结合的大舞台,一个年轻人可以施展才华的大舞台。

  在多年的发展中,张立同创建了技术平台、设备平台和考核平台。在平台建设的过程中,不断发现了基础问题、应用基础问题和应用问题,在对这些问题的研究中产生了新的生长点,使这个科研团队的研究道路走向了广度和深度,逐步占领了研究领域的制高点。在技术平台和设备平台的建设中,研制出了各种性能测试材料,为航空发动机、冲压发动机、空天飞行器、固体火箭发动机制造了大、中、小型各种构件,解决了试车考核中材料的全温域防氧化等问题。

  1997年,张立同科技创新团队又提出了以技术创新带动平台建设,以平台建设带动实验室建设的目标。在这幅宏伟蓝图的感召下,2004年,西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室获得批准立项建设。实践证明,通过技术创新带动平台建设,以平台建设带动实验室建设的发展道路有强大的生命力。目前,超高温复合材料国防科技重点实验室有仪器设备34台套,总资产4000余万元,成为一个标准的国际化实验室。

  给学生一把创新的金钥匙

  “培养学生的‘创新性’和‘辩证思维’是正确认识事物和解决问题的金钥匙。”张立同说。

  她在建立科研团队和构筑科研平台的同时,始终把培养学生的创新能力、提高学生的综合素质做为育人之本。无论本科生还是研究生,从进入张立同实验室的第一天起,就受到了导师的谆谆教诲:搞科学研究来不得半点浮躁,既要耐得住寂寞,还要有崇高的人生目标;鲜花和掌声是用无私的奉献精神和脚踏实地的工作作风换来的;完成重大课题,既要依靠个人的能力,更要依靠集体的智慧。2004年12月,由张立同牵头申报的题目“科技创新平台培养高素质人才的实践”荣获陕西省教学成果特等奖。

  本科生是研究生培养的基础。张立同和她的创新团队认为,本科生毕业设计是一个熟悉科研方法的过程,必须对他们进行分阶段的引导。本科生进入实验室后,实验室先安排他们听取学术专题讲座,向他们介绍承担的科研课题情况和研究方向,研究生介绍自己的研究方向和目前工作的进展情况,然后由本科生按自己的个人兴趣和特长自由选择论文的研究方向和研究课题,实验室还为每个本科生配备了相关研究方向的两名研究生协助指导。

  在本科毕业设计的指导工作中,实验室采取的是以启发为主,发挥学生的能动性,尊重和扶持每名学生的独特见解,由学生自己提出方案,然后集体讨论,共同制定试验方案,这样既提高了团队合作精神,同时也减少了方案制定过程中出现的漏洞。

  本科生每做完一次试验,导师都要求学生分析试验结果,然后写出一篇试验总结,这样既锻炼了本科生的写作能力,同时也为毕业论文积累了素材。这里的每位导师都特别重视学生毕业论文的撰写过程,不仅体现在学术水平的提高和创新上,而且对论文的格式、规范用语也严格要求。在这样的严格要求下,学生的科技写作能力得到了很大的提高,同时也养成了他们严谨的科学态度,为将来攻读研究生打下了坚实的基础。

  每个学生的分析问题和解决问题的能力是不同的,针对这一点,实验室遵循因材施教的原则,对不同程度的学生提出了不同的要求。由于学生来自不同的省市和地区,每个学生的学习成绩及能力不同,因此,培养方式也不同。对于基础好、能力强、思想活跃的学生,导师着重提高他们的独立思考能力,激发他们的创新精神,鼓励他们深入钻研;对于基础差、能力弱的学生,重点进行基本内容的训练,要求他们对现有资料进行分析,然后提出自己的方案,在指导方法上更加具体。实践证明,这种因材施教的方法是有效的。

  “你们不仅要培养自己做事的能力,还要培养自己做成事的能力”,张立同常对学生说。本科生通过在实验室几个月的系统训练,巩固了已学的知识,学到了许多书本上没有的知识,更重要的是掌握了从事科研的方法,树立了做任何事情都要有认真、严谨的态度。有些本科生在毕业设计总结中写道:“经过这几个月的学习,使我了解到一个团队的合作是多么的重要,同时几位老师严谨、求实的科研精神给了我们很深的影响。老师和同学们的关怀使我在整个毕业设计阶段如沐春风,我为在这么好的环境中学习和工作感到骄傲和自豪。”

  在研究生培养中,创新思维和创新能力的培养被公认为是高层次人才培养过程中最关键、最重要的一环。张立同和她的科研团队参照国际知名院校和国内名牌院校研究生培养模式,结合师资力量、实验条件、生源情况和国家“三航”事业的发展现状,从多元化、立体化角度出发,在培养研究生科技创新能力方面做了一系列探索和实践,取得了良好的效果。

  首先,实验室把学术交流作为培养研究生创新意识的一个重要措施,鼓励和支持研究生积极参加各种学术活动,拓宽知识面,改善知识结构,开阔视野,增强研究兴趣,激发创新火花。

  其次,在研究生的培养方式上,实验室采取了硕士生协助指导本科生,博士生协助指导硕士生,教授督导博士生的“链条式”滚动方式,同时再辅以导师对硕士生直线督导以及几位导师对学生交叉指导的立体交叉培养模式,采取“专题讲座”、“学术汇报”、“个别谈话”、“科研实践”、“小组讨论”等多种指导方式,充分体现以“学生为中心”、“创新为核心”、“解惑为重心”的“三心”教学新理念。实验室还与国内的数所高校和研究院所相应学科建立了人才联合培养机制和科研设备共享机制,为培养研究生的独立工作能力和创新能力奠定了良好基础。

  多年来,超高温复合材料实验室为国家培养了一批杰出的科技人才,由研究生参与的国防科研项目多项获得了省部级以上科技奖。博士后叶枫和已毕业的博士殷小玮获德国洪堡奖学金;潘正伟博士在纳米材料研究领域取得了重大突破,研究论文先后在国际权威刊物《Nature》和《Science》上发表。

  张立同和她的创新团队还针对新形势下青年学生的思想实际,加强了本科生、硕士生、博士生的个人道德素质教育。导师们经常利用各种机会与学生进行思想交流,他们特别重视每个学生的思想状况和政治进步,鼓励学生积极向党组织靠拢,积极承担社会工作并参与各项公益活动,使实验室充满了积极向上、奋发努力的良好氛围。目前,从这里毕业的博士生中,中共党员达到85%以上,绝大多数学生都承担了校、院(系)、班或学生支部的工作。

  淡泊以明志 宁静以致远

  走近张立同,她平和、优雅、睿智、坚毅,让人肃然起敬。尽管年逾花甲,可她依然精力旺盛,干脆利索,忙得两脚生风。她胸怀坦荡,有大家风度,无名人架子。在她的周围,经常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、团结好、结构优化、拼搏创新的学术梯队。

  身为院士和重大科研课题的主持人,不管多忙,张立同都坚持两周进行一次课题组学术交流会,让研究生汇报论文进展,教师作专题介绍,实验人员提实验工作建议,鼓励学生的创新精神,注意培养课题组浓厚的学术气氛。她严把研究生论文质量关,总是和研究生一起逐字逐句推敲论文,反复修改,要求论文要有新的观点及深入的理论分析。研究生说,张老师指导的论文至少修改3遍才能过关,连文字、标点也不能错。

  治学上对学生严,生活上她对学生关怀备至。她十分关心学生的困难,并以各种形式解决困难学生的生活。有一次,张立同接电话得知,一名研究生的姐姐因车祸去世,她立即派人买好飞机票,等第二天研究生考完试再实情相告,使这名研究生既没有耽误考试又及时赶回家。研究生说:“张老师既是一位严师,又像一位慈母。”

  多年来,无论是报奖还是定职,张立同从来不争,甚至申请工程院院士也是领导反复动员后才填的表,在她的心目中,唯有事业最风光!为了事业,张立同的小儿子满月没几天就被送往老家,大儿子8岁才回到父母身边。她家在大走廊式的阴面的一间房里住了18年。酷暑夜晚再热,人们也没见过张立同下楼乘凉;寒夜,她用毛毯把腿裹住继续攻读。

  作为学术带头人和重大项目的主持者,无论从项目前期广泛的调研、周密的资料准备、精心的方案构思,还是到现场进行艰辛的设备调试、实验结果分析、理论数据的推导,张立同都认真对待,一丝不苟。紧张的工作使她长期靠安眠药才能入睡。深夜一两点后躺下,次日一早又投入繁忙的工作中,她那因劳累而略显消瘦单薄的身影,与她对工作顽强拼搏、创新奋进的毅力相比,形成鲜明的对照。

  一位美国电子工程教授请张立同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,要支付高额酬金,张立同婉言谢绝地说,中国人更注重友情。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,张立同立即伸出援助之手,指导他很快解决了问题。类似的事情不胜枚举。张立同无私奉献、不图回报、淡泊名利的品质在学术圈传为佳话。她的为人、品德和学术造诣为中外朋友敬佩。

  “伟大的中华民族应该有自己研制的世界一流的飞机,应该有一流的航空材料和制造技术,我愿意为这个理想奋斗终身。也正是这一崇高的理想推动我走到今天,它还将推动我走向更加灿烂的明天。如果说追求,这就是我的追求!”张立同说。


 

  
  
 
 


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