转自：北京日报
早在新石器时代，我国就出现了用陶土烧制的器皿，粗犷、
朴实的风格里沉淀着远古的审美情趣。随着制作技艺的日臻完善，以陶土、瓷土为原料的作品开始越来越多地登上历史舞台。这些传统陶瓷表达着中国人对美的追求与塑造，成为中华民族一大文化符号。
技术进步、时代发展，传统陶瓷有了“新伙伴”——新型陶瓷。它们主要以人工合成的高纯度无机化合物为原料，跳出传统陶瓷的审美局限，凭借耐高温、耐氧化等卓越性能，在越来越广阔的天地中大显身手。
工作十余年，中国国检测试控股集团股份有限公司（简称“国检集团”）中央研究院院长万德田一直耕耘在材料科学领域，不断发问、不断求索，对新型陶瓷在极端环境下的性能表现进行评价，为拓展它的新用途不懈努力。因此，他先后获得国家科技进步奖2项，主持和参与制定国际标准10项、国家和行业标准20余项。
万德田正在做实验
给陶瓷装“盔甲”
北京东五环外的管庄地区，一个有些年代感的院子是国检集团的总部。外表看上去貌不惊人，实则“藏龙卧虎”——有16个国家级检验中心和18个行业级检验测试中心驻扎。2007年，刚刚从中国科学院金属研究所博士毕业的万德田跨进这个院子，一干就是15年，将青春和激情挥洒在了这片材料“热土”上。
说起来，进入这个行业，万德田有些“误打误撞”。1997年，高中毕业的他在诸多学校的宣传材料中，看到了当时武汉工业大学（即现在的武汉理工大学）“无机非金属材料”专业的介绍，时隔20多年，万德田依然记得学校对这个专业的介绍：“博士后流动站”“国家级重点学科”。万德田一下子被打动了，将其列为自己的高考志愿。他自己也没想到，最后居然真的会被这个专业录取。
当时的万德田对于“无机非金属材料”的认识几乎为零。进入大学他才知道，传统的无机非金属材料制品实际上是混凝土制品，“通俗来说，就是研究如何配制混凝土的。”对此，万德田感到兴味索然。一次水泥厂的实习参观，更是让他坚定了“转行”的想法——工厂里，嗡嗡响的机器、飞扬的尘土让他感到的不是进入一个新行业的新奇和激动，而是觉得前途茫然。
高性能陶瓷材料专家付正义的一次讲座给万德田打开了一扇门。当时，无机非金属领域的一种新材料——特种陶瓷开始蓬勃发展。这是一种具有特殊力学、物理或化学性能的陶瓷，应用于各种现代工业和尖端科学技术。随着付正义的讲述，万德田对这神奇的陶瓷材料着了迷，他朦胧地感觉到，这才是自己的志趣所在。
2001年，万德田如愿进入中科院金属研究所深造。师从陶瓷材料领域赫赫有名的周延春教授，他如饥似渴地学习着陶瓷材料的制备工艺。正逢中国建材总院的包亦望教授在金属所做“百人计划”，于是万德田同时跟随包亦望学习陶瓷材料性能表征及评价技术。在两位导师的指导下，万德田兼攻陶瓷制备工艺和陶瓷性能评价两大领域，这也造就了他日后科研的两大方向。
陶瓷材料个性鲜明，优缺点都很明显：耐高温耐氧化的性能使其在飞行器发动机等领域的地位不可撼动；与此同时，陶瓷材料高模量高强度、脆性大、韧性差、容易出现突发性断裂，导致它的可靠性和可加工性差，这又限制了它在很多领域的应用。因此，提高陶瓷材料的可加工性是一个国际难题。20世纪90年代，《美国陶瓷学会会刊》发表的一篇文章显示，钛硅碳（Ti3SiC2）的晶体结构及物理性能可有效提升陶瓷材料的可加工性，然而钛硅碳的“配方”却不得而知。为此，在万德田进入金属所之前，周延春已经组建团队就钛硅碳的合成开始了探索。团队遇到的一大难题是，可加工性能的提升必然会带来陶瓷材料其他性能的损失，如硬度和抗氧化性。如何确保陶瓷材料在补弱的同时不丢失原来的优势，这成了周延春布置给万德田的“作业”。
在校期间，万德田在学习和研究上展现出了异于常人的勤奋和天赋。
“为了贴补家用，我一个星期要做两次家教，其余时间几乎都扑在了实验室里。”万德田说，解决这个问题，最直接的思路就是为陶瓷材料加上“防护套”。他当时采用的是“三明治”法：以抗氧化性能卓越的氧化铝打底，铺上钛粉、硅粉、碳粉，上层再铺氧化铝材料，然后进行热压烧结。整个过程烧多高的温度？升温速度该如何控制？钛、硅、碳三者如何搭配？如何匹配涂层与材料的厚度？一连串的问题，需要万德田在一次次实验中找到答案。
功夫不负有心人。最终，他成功开发出了三元层状陶瓷Ti3SiC2强化及力学性能评价新技术。毕业时，在其他人还为发两篇论文以获取毕业资格而苦苦发愁时，他已经发表了8篇SCI（科学引文索引）论文，并申报了5项发明专利。
面临就业的选择，万德田毅然放弃了前往德国慕尼黑工业大学攻读博士后和继续留在金属所担任助理研究员的机会，跟随包亦望来到中国建材总院下属的国检集团，准备以中国建材与无机非金属领域规模最大、实力最强的科研开发中心为依托施展抱负。“回头看，我很庆幸自己做了正确的选择。在这里，我获得了充足的成长空间和高起点的发展平台。”
消灭“空中杀手”
漫步在北京各大商圈，阳光下闪闪发亮的玻璃幕墙几乎成为现代高层建筑的标配。20世纪80年代，玻璃幕墙被引入国内，风行一时；然而，随着它们逐渐步入“暮年”，玻璃自爆、坠落等事故频频见于各种报道中——
2011年5月18日，上海在一天内三下“玻璃雨”，分别发生在陆家嘴时代金融中心大厦、延安西路昭化东路口一居民楼以及上海科恩国际中心；
2018年，强台风“山竹”影响广州期间，天河区万菱汇写字楼三个玻璃窗从高空坠落；
2019年，济南高新区万达广场写字楼的两块玻璃幕墙发生自爆，自爆产生的碎玻璃碴砸中了楼下三名路人……
这一现象引起了万德田的注意。“玻璃和陶瓷不分家，它们有相似的生产工艺，都是典型的脆性材料。”玻璃幕墙为什么会坠落？能不能提前预测它的坠落？万德田想要一探究竟。
彼时，中国建材总院转制后，主抓青年科技人才的培养，为了鼓励青年人才开拓创新，专门设立了“前沿探索基金”项目。在老师包亦望的鼓励下，万德田开始了人生中独立承担的第一个科研项目“夹层玻璃老化后界面和抗风压残余强度评价技术”。拿着2万元资助金，在40平方米的实验室，万德田开启了职业生涯的重要篇章。
根据专业经验，万德田推测，玻璃坠落肯定是支撑体系出了问题。什么是支撑体系的外在表征？“挑西瓜的时候，我们习惯敲一敲，生瓜的声音发闷，熟透的西瓜声音发脆。玻璃同样如此，摇摇欲坠的玻璃敲起来声音也发闷，新玻璃的声音就是脆生生的。”万德田解释，声音的不同反映了材料基本频率的不同，而玻璃支撑体系的变化直接改变了材料的基本频率。万德田善于观察，更善于借力。测基本频率最好的仪器是测振仪，这是在地震领域应用极为广泛的一个仪器，但被拿来测玻璃老化还是头一遭。
逻辑捋顺了，但问题接踵而至：测出的频率值与玻璃内部的支撑体系是什么对应关系？多大范围内的数值意味着玻璃幕墙是安全的？经过反复验证和分析，万德田带领团队成员交上了一份高分答卷。如今，这一成果已经成为北京市地方标准《既有玻璃幕墙安全性检测与评估技术规程》，为消灭“空中杀手”提供了实操指南。
玻璃幕墙坠落除了因为老化，还与风力的冲击有关。玻璃究竟能承受多大风力的冲击？万德田开始了新一轮的求解。在冲击试验方法上，他跳出传统的“摆锤法”和“空气炮法”，请来空气帮忙。这次，他是从给自行车充气得到启发。“一开始，我们尝试往封住玻璃的壳子里充气，来模仿风力冲击的过程。结果，刚充了一小会儿，玻璃就爆炸了。”回忆起爆炸的时刻，万德田还心有余悸。不过，这次惊吓给了万德田新的灵感，同样都是利用大气压，以负压的方式试试呢？没想到他“因祸得福”：“负压法”不仅达到了测试玻璃抗冲击性能的目的，还让科研人员得以观察到玻璃受冲击后损伤演变的完整过程。“这为我们未来设计‘裂而不散、散而不落’的玻璃提供了新的思路和视角。”
独自“挑大梁”的经历，让万德田完整体验了科研流程。“更重要的是，这次经历引导我不断从工程应用中寻找科学问题，使我的组织协调能力、独立思考能力以及克服困难的能力都得到了提高。”
项目结束了，万德田对“空中杀手”的拷问却没有停止——
在包亦望的指导下，他又参与设计了“建筑玻璃服役风险检测和可靠性评价关键技术与设备及应用”项目，试图破解玻璃自爆背后的秘密。经过调研，他推断，玻璃出现自爆是因为内部含有杂质颗粒，杂质的热膨胀系数与玻璃不匹配，在环境温度发生变化时，便容易发生炸裂。“为什么会炸裂呢？肯定是因为这些颗粒在里面待得不舒服，对外有一个挤压的作用力，有力的作用就会产生一定的应力集中点。”从源头出发，万德田和团队成员努力对症下药，借鉴了“光弹技术”为玻璃进行扫描“体检”，通过确定应力集中点的存在锁定有自爆风险的玻璃。
该项目最终获得国家科技进步二等奖，钢化玻璃缺陷检测技术-光弹扫描法也已被列为国家标准。国家大剧院、北京颐堤港、广州南站……截至目前，团队已经服务了全国200多家客户，为玻璃可靠性提供评价。
打破“测量禁区”
1992年9月21日，中国载人航天工程正式立项实施。2022年12月31日，国家主席习近平在新年贺词中向全世界郑重宣布：“中国空间站全面建成。”30年来，几代航天人接续奋斗，圆满完成“三步走”战略任务，建成了命脉完全掌握在中国人自己手中的大国重器。中国航天员开始越来越从容地拥抱浩瀚太空。
每每看到航天发射成功的消息，万德田在深感振奋和鼓舞的同时，也感受到了沉甸甸的责任。航天飞机与大气层剧烈摩擦，以及火箭喷火段周围的温度均可达2000摄氏度以上，而国际上材料力学性能测量的极限是1500摄氏度，再往上就属于“极端环境”。随着航天工业的发展，极端环境的性能检测越来越紧迫。在他看来，从某种程度上来说，材料在极端环境下的表现决定了人类宇宙探索的极限。
如何在极端环境下检测材料的安全性？这在国际上都是一个难题。国检集团勇挑重担，多年来，包亦望带领团队不断向这座业界高峰攀登。万德田作为参与者，也开始了脆性材料在高温和超高温氧化环境下的材料力学性能测试评价技术的研究。立项时，国内外还没有相关的项目和研究，可借鉴的资料甚至实验器材基本为零。
一切都要从头做起。
项目的第一个难点是要打造2000摄氏度的高温有氧环境。团队再次借来了“他山之石”，“在调研时我们发现，打造高温有氧环境有激光、离子辐射等多种技术，而在冶金领域广泛使用的线圈感应技术是成本最低、效用最好的。”万德田解释，有了环境，下一步就是要测试材料在这一环境下的强度、刚度等各种性能表现；而只要测试就需要工具，研制出耐受高温环境的配套夹具便成了整个项目的第二个难点。
“以我们传统的思路看，似乎没有夹具材料能经受得住如此高温的考验。”团队又一次独辟蹊径。万德田随手拿起桌上的一支笔为记者示意，“我们用线圈加热，中间这一段的温度的确能达到近2000摄氏度，但是远离中心的部分温度会逐渐降低，只有800到1000摄氏度，我们想到了通过夹持这些部位完成测试。”
3年半的时间里，团队做了近百次抗疲劳试验，完善了相关的测试方案。目前，团队已能完成1500至2200摄氏度范围内不同氧分压环境下的材料高温弹性模量、强度和断裂韧性的测试，研究结果填补了国内外没有超高温氧化极端环境下力学性能评价方法的空白。后来，团队又将局部高温同步加载法的技术应用于动态疲劳试验，曾完成过长达500小时的测试，对于保证高温材料和构件在极端环境服役期间的安全性和可靠性、减少灾难性事故的发生具有重要意义。
万德田打破的测量“禁区”远不止这一个。
陶瓷涂层被广泛应用于航空航天、石油化工等领域，是重大的国际需求；然而，长期以来，因缺少涂层物理性能的测试方法及标准，科研人员难以为涂层材料的优选、涂层构件的耐久性和使用寿命评价等提供技术支撑，这也成为了陶瓷涂层技术发展的痛点、难点。“涂层很难从机体上单独剥离下来，即使剥离下来也没办法加工成标准件，所以涂层的热学和力学性能测试都是很困难的。”
“曹冲称象”的故事给了团队灵感。“这个故事里非常重要的一个思维是‘等效替换’，将大象的重量等效成沙子的重量。这启发我们在涂层性能的测试上，同样可以采用‘间接’测量的方法。”万德田解释，在涂层、机体以及涂层和机体组成的复合体中，机体和复合体的性能是已知的，而从机体到复合体的性能变化就是由涂层的加入所导致。在这其中，最核心的就是确定涂层性能跟机体、复合体性能之间的定量解析关系式。
这是一个漫长的建模、测算、分析的过程。如今，项目成果汇报书上那些短短的公式，是万德田和团队无数个日夜心血的最好回报。截至目前，该项目获授权发明专利6项，制订国际标准5项、国家标准3项。成果填补了国内外陶瓷涂层热物理性能无技术、无设备、无标准的空白，提高了我国自主创新能力，推动了涂层测试评价学科发展与技术进步，获2020年建筑材料科学技术发明一等奖。
“几乎每天都在实验室里，很少看他出门。”这是不少同事对万德田的印象。万德田却乐在其中，“把时间用在学习上，把时间用在工作上，能为国家航空航天技术的进步做出贡献，为人民生命财产安全、城市公共安全提供技术支撑，我觉得自己的工作特别有意义。”
（原标题：极限选材）
来源：北京日报记者 牛伟坤
流程编辑：u062
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