王春德

仪器信息网讯 为提高广大试验机用户的应用水平，并促进用专家、用户、厂商之间的相互交流，2012年5月16日，在CISILE 2012召开期间，由中国仪器仪表行业协会试验机分会与仪器信息网主办、北京材料分析测试服务联盟与我要测网协办的“第一届中国试验机技术论坛”在中国国际展览中心综合楼二楼204会议室成功举办。 　　如下为北京航空航天大学材料科学与工程学院王春生教授所作报告的精彩内容： 北京航空航天大学材料科学与工程学院王春生教授 报告题目：离子注入对高温合金蠕变/疲劳性能的影响及寿命预测 　　对于疲劳断裂与试验技术发展历程，王春生教授在报告中首先回顾到，19世纪40年代，由于火车轴在轴肩处常发生断裂，德国人Wohler通过车轴疲劳模拟试验提出了S-N曲线及疲劳极限概念；20世纪初，伴随着光学金相显微镜问世，科学家们对疲劳机理进行了更深入的研究；1920年，Griffich提出了著名的裂纹体脆断强度理论，为断裂力学新学科发展奠定了基础；20世纪50年代，英国两架喷气式客机“慧星”号坠毁事故使人们意识到，看上去静止的飞机结构一旦承受反复载荷作用就会发生疲劳破坏。 　　随之，各种用于疲劳断裂测试的试验机新产品不断推出，如1987年，美国英斯特朗推出32位数字控制的电流伺服试验系统；1938年，瑞士首次推出频率范围在35-300Hz的高频疲劳试验机；20世纪90年代美国MTS推出了试验频率为1000Hz的电液伺服系统等。发展到今天，疲劳试验机的种类已日益繁多，如轴向拉压、弯曲、扭转、拉扭、单轴、双轴、多轴、低循环机械疲劳、低循环热疲劳等。 　　此外，王春生教授还重点介绍了离子注入对高温合金蠕变/疲劳性能的影响及寿命预测，众所周知，航空发动机的涡轮盘、叶片等热端转动部件，长期在高温、高应力及环境介质条件下服役，这使得零件材料承受着蠕变/疲劳或蠕变/疲劳/环境的交互作用，即时间相关疲劳。 　　对此，王春生教授采用金属蒸汽真空弧离子源(MEVVA )离子注入技术，将载能离子注入材料表面，引起材料表层成分和结构的改变，以提高材料的使用寿命。最后经试验验证得出，在650℃条件下，GH4169合金的CP型蠕变/疲劳寿命比PP型寿命损伤严重，寿命下降约70-80%，而经离子注入后的CP型蠕变/疲劳寿命仅下降20-30%；此外，采用SEP法预测GH4169合金650℃的疲劳及蠕变/疲劳寿命，可以得到满意的结果，其分散带B≤1.5，标准差S=0.08周。 会议现场

金属、非金属、高温合金、高分子化合物等材料若要达到“物尽其用”，除了结构设计、加工工艺等影响因素外，其物理性能也是一个不可或缺的重要因素，试验机便是用于测量材料物理性能的首选仪器和必备工具。随着全球科学技术的发展与工业生产要求的提高，曾经“冷僻”的试验机行业如今已走出“深闺”，日益向人们彰示这一行业的市场潜力与强劲的发展势头，有数据显示，中国试验机市场销售总额每年可高达40亿人民币。 　　试验机市场前景如此大好，但我国试验机制造企业技术研发投入普遍不足，产品更新速度缓慢，且国内试验机高端市场一直被国外厂商垄断。试问我国试验机企业应如何突破发展瓶颈，打造国产化试验机品牌，再逐渐进入高端市场，并最终实现整个试验机行业的良性发展?相信国内众多的试验机专家、用户以及生产企业都在努力寻找这个突破口! 　　王春生教授，任职于北京航空航天大学材料科学与工程学院。多年来，王春生教授一直从事新型飞机耐久性和发动机高温合金工艺的性能研究，在试验机的应用开发方面颇有心得，曾参与国家“十一五”规划中力学材料试验机相关课题项目的起草制定；另外，王春生教授对试验机在控制器、常规夹头、高温蠕变等方面曾提出过卓有有效的改进建议，并多次参与我国试验机标准的制定等。 　　近日，仪器信息网编辑采访了王春生教授，就目前国内外试验机的应用开发、技术进展、国内外产品差距、国内市场现状、试验机行业未来发展以及人才培养等问题与王春生教授进行了深入的探讨。 北京航空航天大学王春生教授 试验机技术与应用的未来发展趋势 　　试验机技术走向：“大、小、精”与“环境模拟” 　　20世纪，随着液压伺服技术与电子计算机技术的引入，试验机测试技术可以实现过去人工操作不可能完成的试验，使材料性能研究达到了一个全新高度。进入21世纪以来，全球高科技飞速发展，对试验机技术提出了更多、更高的测试要求。 　　关于试验机技术的发展方向，王春生教授谈到，在现代科学技术的背景下，材料的工作条件非常复杂，人们对材料力学性能测试要求不断提高，因此，市场上也日渐出现了各种型号与功能的试验机产品。从目前各种新型的试验机来看，试验机技术的发展方向主要包括“大、小、精”以及“环境模拟”。 　　(1)“大”：近几年，我国航空航天事业发展很快，诸如导弹、火箭这样的大型结构件越来越多。另外，我国将逐步开放3000米以下的低空领域，如此以来，小型飞机的市场需求将会大幅提升，这些都将大大促进试验机往“大”的方向不断拓展。 　　(2)“小、精”：精度是各种仪器设备永远不变的追求之一，试验机亦不例外。与航空航天领域不同的是，在生物医学工程方面，人们需要对一些微小材料、微小部件进行性能评价，如人体骨骼、眼睛的巩膜等生物材料，其感应量在0.1N，而通常的试验机精度很难达到，这就要求厂家能够提供更为小巧、灵敏的试验机“精”品。 　　(3)“环境模拟”：目前，环境模拟技术已成为试验机技术发展的一个重要方向。随着工业的发展，材料测试不再局限于力的模拟，对于极端试验条件下的环境模拟要求也越来越多：超高压、超高温、超低温、超真空、超高强、超辐射、耐腐蚀等。例如，液氧、液氮、液氢的储存罐材料要模拟航空航天环境，以便能更为精准地测试材料的力学性能。 　　试验机正往更“细”、更“新”的应用领域发展 　　材料性能的研究起始于欧洲工业革命时期，当时主要是利用机械测试设备进行静态试验，用以评价材料在拉压和弯曲载荷作用下的力学特征。近几年，合金材料、聚合物材料、陶瓷材料、超导材料等新材料的开发与使用，极大地拓展了试验机的应用领域。 　　目前，试验机主要针对材料的强度、刚度、硬度、弹性、塑性、韧性、延性、表面与内部缺陷等参数进行力学性能测试和分析研究，可以广泛地应用在矿企业、计量部门、科研院所的现场和实验室，具体领域涉及到航天航空、机械制造、石油化工、食品、医药包装、车辆制造、电线电缆、纺织纤维、塑料橡胶、建筑建材等各行各业。 　　王春生教授介绍到，若从力学实验角度来看，试验机的应用领域可以分为两大部分：一是结构力学，一是实验力学(包括材料研究与材料检验)。过去，试验机一般常用于汽车零部件、塑料、岩石力学、工程结构件等传统领域的常规材料测试。近几年，随着我国经济的高速发展，人们需要更轻更强的材料用于制造飞机、火箭、汽车等，这使得试验机的应用领域逐渐往更细的领域、更新的方向发展。大至飞机、导弹、火箭、卫星等大型结构件，小至人体骨骼、眼睛巩膜、电子材料、玻璃、牛肉干、布料等，可谓是和我们的衣、食、住、行息息相关。 　　另外，随着试验机的广泛应用，我国从事材料性能测试的人员队伍也已变得相当庞大。单就专业会议而言，国内外每年都会召开规模很大的各种力学会议，如国际断裂力学会议、疲劳断裂会议、常规力学会议等。 当前国内外试验机产品市场格局 　　多方面分析国内外试验机产品的差距 　　试验机是一种集光、电、机、液和计算机技术与一体的高技术产品。随着人类科学技术的迅猛发展，各行各业对试验机产品的需求持续增长，国外试验机生产制造水平和测试技术有了很大程度的提高，但我国试验机的发展却未跟上全球试验机前进的“步伐”。 　　王春生教授谈到，试验机按加荷方法可分为动态试验机和静态试验机。一般来说，用户对动态试验机稳定性的要求要比静态试验机高很多，但由于我国在动态测控、伺服阀等方面的技术尚未过关，因此，国产动态试验机的使用率很低；另外，虽然部分国产静态试验机的技术参数可以达到国外同类产品的水平，但就产品整体的机械系统、测控技术、应用软件与配套器件等方面还存在很明显的差距。 　　(1)机械系统：设计一款试验机产品的机械系统，需要凭借经验，并考虑材料性能、工艺水平、加工能力、热处理效果等诸多因素。例如，德国的试验机夹头在造型、工艺等方面都做得非常“精致”；而国内的热处理工艺不到位，后期加工也比较粗糙，试验机夹头硬度不达标，很容易变形，使用寿命大为缩短。事实上，这两种工艺的投入相差并不大，可惜的是，国内企业一贯守旧，很少在工艺上有所改动。 　　(2)测控技术：我国试验机的测量控制技术一直都落后于国外，其中大部分试验机关键技术和部件，如力传感器、引伸计、控制器、伺服阀等都是从国外引进的。就采样频率这一指标，我认为静态拉伸试验机的基本采样频率应该在200个点。目前，国产试验机的采样频率一般在40Hz左右，而国外较好的试验机采样频率可达1000Hz，动态电液伺服疲劳试验机采样频率为5000-6000Hz，这就比国内试验机的性能质量高出许多。 　　(3)应用软件：总体来说，国内外软件各有千秋。国产软件功能简单但操作方便，国外软件功能强大但操作略显复杂。不过，与国外软件相比，国内试验机软件的人机联网功能不佳，这给试验机的操作与维护方面带来了诸多不便。因此，国内试验机厂家需要在软件功能、操作性、稳定性等方面多下功夫。 　　(4)试验机配套器件：试验机配套器件可以大大增加试验机产品的技术功能与含金量，但这却是我国试验机行业中技术水平的“薄弱一环”。例如引伸计，目前国内生产厂家大多选用首都钢研院的橡皮筋捆绑式引伸计，且不说其测量误差、工作稳定性，单就其橡皮筋捆绑固定方式的工作效率就难以满足用户的测试需求。 　　国内企业研发投入不足 高端产品市场被国外企业占领 　　常言道：“技术决定产品，产品决定市场”。试验机技术的落后使得我国试验机行业发展进入了“瓶颈”状态。目前，我国试验机产品同国外同类产品相比较，绝大多数产品处于中低档水平，尤其技术含量高的高端产品，长期被国外生产企业占领。 　　谈到我国试验机的发展历史，王春生教授表示，我国试验机发源于吉林省的长春试验机厂、长春试验机研究所，从最初的硬度计逐渐扩展到试验机，我国试验机行业已经走过了60多年的历程。尤其是在改革开放后，国产试验机微机伺服控制系统的问世填补了国内空白，使得我国试验机技术有了很大发展，大有追赶国际先进水平之势。 　　但是，市场的开放也使得众多国外知名试验机厂商纷纷登陆国内市场。国外试验机产品技术更新换代速度很快，产品性能又优于国产试验机同类产品，再加上90年代末企业改制后，国内试验机企业研发投入普遍不足，产品技术更新缓慢，因此，国内高端产品市场几乎都被国外试验机制造企业占领，即便是国外试验机价格是国产同类产品的4-5倍，但国内市场需求依然很大。 　　对于国内试验机行业的现状，王春生教授不禁感叹道，近几年，国内对各类试验机存在着大量需求，这使得国内试验机制造企业的数量持续增多。目前国内试验机生产企业保守估计也有300家，其中，多数企业规模偏小，产品定位低端，关键部件通过进口、外购等方式获得，采用低价策略“分抢”国内市场，竞争十分激烈。但是，如此混乱的市场状态显然不利于我国整个试验机行业发展。 立足差距 突破试验机行业发展“瓶颈” 　　试验机一直是欧美国家对我国尖端科研课题限制出口的产品，因此，打造我国试验机民族品牌，增强国产试验机的市场竞争力显得尤为重要。面对当前进口产品的竞争，我们期待国内试验机企业走自己的路，做出属于我们自己的试验机来。 　　关于如何突破我国试验机行业的发展瓶颈之问，王春生教授如是回答，目前，我国试验机行业发展应着重从以下几方面进行： 　　(1)政府应加大支持力度 　　试验机是一个国家整体制造水平的“缩影”，政府应当给予试验机行业足够的重视与支持，适当加大试验机相关课题项目的研发投入，关注并扶持有发展潜力的国内试验机制造企业，引导与规范我国试验机行业的有序发展。 　　(2)加快综合型人才的培养 　　试验机是一种集机械、电气、材料力学、实验标准与计算机为一体的技术密集型高科技产品，涉及学科范围非常广。但目前，我国没有这样的对口专业，国内从事力学研究的人员几乎都是从材料、机械设计、物理等相关专业转过来的，因此，需要政府、社会、学校多方配合，加快培养综合型的专业人才。 　　(3)改进企业经营理念，增加研发投入 　　今天的市场格局，与其说是企业技术研发投入不足的问题，不如说是企业经营理念的问题更为恰当。生产企业要卖出产品获得利润，不能说不对，但是不能以“打价格战”为前提，关键要考虑如何提高产品的质量、性能与价格，随之再增大研发投入。如此形成良性循环，淘汰落后企业，形成几家有竞争能力的国内试验机制造企业，并最终促进整个行业的健康发展。 　　最后，王春生教授表示，总的来说，我国试验机行业还是很有希望的。国内企业目光要放长远，立足国内外产品差距，在保证经济效益的同时，大力投入研发新技术，提高产品性能，才能扩大产品市场。我们只有创造属于中国的试验机品牌，才能逐渐加大国产试验机在中国，乃至全球市场的地位。 　　后记： 　　对于当前国内试验机制造企业规模小，拿不出高薪来聘用技术研发人员，王春生教授建议，企业可以走“校企合作共建实验室”的道路。“企业出资提供产品，学校负责开发应用，这样不仅丰富地利用了产品，找出其不足之处，进而提出解决方案，为企业节省了人力与财力，同时学校也完成了课题教学任务，转而又为企业培养了大量专业人才。” 　　另据了解，目前全球试验机的市场需求依然广阔，尤其是中国试验机的市场需求发展更是“不容小觑”，这对于有企业发展眼光、自主创新能力、市场拓展能力的国内试验机制造企业而言，不啻为一个极其振奋人心的好消息。挑战与机遇并存，瓶颈口也是突破口，正如王春生教授所言：“努力提高产品性能与质量，才能有更多的资金用于研发新产品”，相信这将是突破我国试验机行业发展瓶颈的一条有效途径。 　　采访编辑：刘玉兰 　　附录：王春生教授个人简介 　　王春生，男，汉族，1936年2月出生，辽宁沈阳市人。北京航空航天大学教授。 　　1960年毕业于原北京航空学院材料系，毕业后留校任教。主要从事工程材料力学和研究工作。退休后，为北京航空航天大学材料科学与工程学院返聘至今。

近日，江苏艾玮得生物科技有限公司与东南大学苏州医疗器械研究院、中国航天员科研训练中心、数字医学工程全国重点实验室一起，共同研发制作的太空血管组织芯片（Taikonaut-Blood-Vessels-on-a-Chip, Taikonaut），在中国空间站完成了国内首例太空器官芯片在长期微重力条件下的培养实验，也是国际上首例人工血管组织芯片研究。这次研究主要针对航天员长期空间飞行后导致的身体反应，对于通过药物防护等方法帮助航天员保持身体机能，重新适应地球重力环境具有重要意义。中国航天员科研训练中心副研究员王春艳：这个芯片是咱们国家独立自主研制的，神舟十五号任务中是国家第一次在轨实施了器官芯片项目，也是国际首次在轨开展的人工血管芯片的研究。它也标志着咱们国家成为世界上第2个具备在轨开展器官芯片研究能力的国家。 太空血管组织芯片研究针对空间飞行导致的立位耐力不良的细胞学机制研究需求，聚焦微重力对血管氧化应激水平的变化和血管结构与功能的影响，研究长期空间飞行导致的立位耐力下降的细胞学机制，以及在空间环境下某些化合物对抗航天员立位耐力不良防护机制，为发展有效的对抗防护措施提供理论和实验依据。研究人员在实验室用原代细胞构建具有功能性的人工血管，并将其安装至自主研发的太空血管芯片中，进行微流体培养以确保血管的稳定性。同时，结合影像学分析方法，对实时观察并采集到的血管形态变化进行分析。该实验基于失重导致的立位耐力不良、运动能力降低、血管结构及功能重塑等长期航天飞行导致心血管系统功能失调的问题。研究导致血管结构和功能变化的细胞学机制，并测试保护性药物对避免预期问题的有效性。 值得一提的是，包括与神州十五号一起返回的太空血管组织芯片在内，艾玮得生物已在器官芯片研发与应用中取得多个“第一”的好成绩。 艾玮得生物深度参与器官芯片相关国家标准的撰写。目前国内第一个器官芯片技术标准已立项公示。国内第一个使用器官芯片数据获批IND的新药江苏艾玮得生物科技有限公司（AVATARGET）是一家专注于人体器官芯片及生命科学设备研发与生产的创新科技公司，其核心技术转化于东南大学器官芯片科研团队，技术成果已成功应用在新药研发、精准医疗、疾病建模、美妆安全性评价等科研场景中。目前，艾玮得已与恒瑞、先声、齐鲁、美国哥伦比亚大学、江苏省人民医院等国内外知名药企，多所医院、研究机构及高校达成深度合作，持续推动器官芯片在更多高端医疗器械领域的应用，助力生命科学快速发展。