相较传统高温合金，在同等体积下可减重40%以上、每年节省燃料数百万吨的以陶瓷颗粒作为增强相的钛基复合材料是实现航空航天高端装备轻量化、提高装备功效和武器战术性能的关键战略材料之一，在空天飞行器、火箭发动机、民用离心压缩机等关键部件中拥有着巨大的应用潜力。研发低成本、高性能且技术自主可控的空天高端装备用耐热高强钛基复合材料十分关键。
上海交通大学张荻院士、吕维洁研究员带领团队，经过二十余年潜心研究，形成了耐热钛基复合材料的制备加工关键技术，实现关键技术自主可控。该材料在高温环境下的稳定性和强度使得我国航空航天器能够在极端苛刻的服役环境中稳定运行，为我国的航空航天高端装备发展提供有力支撑。10月23日，2023年度上海科技奖颁布，“耐热高强钛基复合材料关键技术研发与应用”项目获得2023年度上海市技术发明奖一等奖。
传统钛基复合材料通常采用外加法生产，存在成本高、基体和增强体之间界面结合性能差、界面反应严重、成材率低的问题。研究团队阐明了液态复合增强体晶体结构与形核生长规律，建立了原位自生增强体尺寸和形态控制的理论和方法，创新突破困境。此外，该材料通过复合化技术，提升了传统钛合金的性能，使其能够应对发动机和飞行器零部件面临的更高温度和冲击载荷的挑战，提高了飞行器的性能和可靠性。吕维洁介绍，针对单元增强钛基复合材料存在的强塑性匹配不佳等问题，团队专注机理研究，提出多元增强体有序分布与耦合强化方法，构建了新的力学模型，创制出空天及国防用新一代轻质高强耐热600℃—800℃钛基复合材料，其室温和高温条件下的各项性能指标达到国内领跑、国际领先的水平。
实验室研发的新材料需要新制备工艺才能真正实现应用。团队针对钛基复合材料复杂构件难以加工成形的问题，建立了动态再结晶诱发大塑性加工技术，并为空天和国防重大装备研制应用了千余套钛基复合材料构件。
一组数据体现了新材料发挥的巨大作用。在民用大型能源化工装备领域，离心式压缩机叶轮构建原本在650摄氏度环境下无轻质材料可用，团队研发的构建突破制约，使叶轮线速度提高40%、压缩比提高33.3%，装机2MW，年节省能耗8%；空天飞行器领域更是需要在800摄氏度的复杂应力环境接受挑战，新部件不仅耐高温而且结构减重15%、转动惯量降低36.4%，为飞行器大机动、高速、高射程等核心技战指标的实现提供了关键支撑。
团队研发的耐热高强钛基复合材料构件。采访对象供图
据了解，团队相关研究成果授权中国发明专利26项，制定企业标准5项，发表SCI论文100余篇。团队还建立了国内领先钛基复合材料企业，实现单锭吨级以上的钛基复合材料产业化制备与生产。
