大國重器：近年來我國科學家突破的“卡脖子”技術(二)

大國重器是一個國家在科技以及綜合國力進步的重要表現，例如我國北斗導航系統的全球覆蓋以及殲20戰機地的研制成功，極大地提高了我國在國際中的話語權及其國際地位。筆者認為，做科研最重要的目的之一就是要突破國防的重要瓶頸以及國家級重要工程面臨的難題。根據Web of Science平臺的報告，我國在2019年的發文總量就已經超越了美國，但是我國仍然有很多技術被卡脖子，例如芯片、大推力發動機以及光刻機等。發論文是對基礎研究的理解并不斷建立新理論，是科技研究創新的源泉。但是如果不進行成果轉化，這些理論則相當于一張鎖緊抽屜的白紙。近些年來，在我國科學家的不斷努力之下，很多卡脖子的技術被攻克，達到國際先進甚至領先水平。材料作為最基礎的產業，其在先進設備的制造過程中發揮著重要作用。筆者今天為大家梳理一些近年來被我國科學家突破的重要技術，這些技術已經走出實驗室，有些甚至已經列裝在重要的大國重器上面。

（1）李賀軍院士發明高性能碳/碳復合材料系列低成本制備新技術；

碳/碳復合材料，是以碳纖維為骨架來增強碳或石墨基體的復合材料,是一種戰略性材料，主要用于先進空天飛行器、其動力系統以及高尖端武器裝備。其關鍵技術一直被西方國家嚴密封鎖，上世紀90年代初，國內對于該材料的研究尚處在起步階段。?碳/碳復合材料高于一定溫度便開始氧化，嚴重制約了其在高溫極端環境下的可靠應用。另外，碳/碳復合材料性能不穩定、成本高、氧化敏感性高、表面微結構復雜，傳統涂層理論與方法已難于滿足，提高材料性能及穩定性、長壽命涂層理論創新與技術突破是國際公認的挑戰性難題。?西工大李賀軍院士及其團隊經過數十年的研究，在碳/碳復合材料抗氧化涂層的研究已從先前使用溫度1400℃、防護時間30小時提高到1600℃、防護時間900小時，實現了國內碳/碳復合材料抗氧化研究的大飛躍。原國防科工委鑒定意見認為：抗氧化涂層技術達到國際領先水平，填補了國內空白，為中國在世界碳/碳復合材料研究領域贏得了聲譽和地位。

另外，李賀軍院士將壓力加工的方法跨界用于碳/碳復合材料的制備，實現了該材料由航空航天戰略性武器應用向兵器常規戰術武器應用的突破。這種高性能碳/碳復合材料系列低成本制備新技術，已在國防重點領域內多個型號裝備中應用，為相關國防高技術武器裝備的效能提升提供了重要支撐。?他們研制的碳/碳復合材料作為耐高溫的關鍵部件，用于多種型號的固體火箭發動機喉襯、超音速導彈的熱防護系統等新一代武器裝備，為國防現代化建設和軍民融合發展做出了重大貢獻。

（2）清華大學在光刻機光源領域獲得重大突破；

在過去的三年中，美國總共對華為公司發出了三輪制裁，將芯片問題牢牢的卡住。嚴重地阻礙了華為公司手機業務的發展。這種制裁不僅傷害了華為公司，還嚴重傷害了億萬華夏子孫的內心。的確，這種被人拴住脖子的滋味很難受，為此我國也掀起了一輪芯片研發熱潮。國務院甚至出文件，要求國內芯片在2025年實現 75%以上的自給自足。國內多家科研機構，包括中科院，清華大學等。都義無反顧的加入了芯片研發行列。華為的子公司海思就有設計國際頂尖芯片的能力，可是苦于不能投入生產，主要原因是不能制造出高端光刻機。光刻機的最主要的硬件是鏡頭，由鉬和硅制兩個特殊材料制成，被相關國家死死的把控，所以材料的匱乏是我國光刻機技術遲遲攻克不下的主要原因。前段時間，我國頂級學府清華大學的科研團隊正式官宣，他們已經完成了“穩態微聚束（SSMB）”的測試，這標志著我們在芯片光源這個領域里面再一次取得了重大突破。所謂的SSMB光源，實際上就是一種新型粒子加速器光源，區別于現在荷蘭ASML的EUV光刻機光源，這種SSMB光源在功率、重頻等方面都要比前者高出很多，其波長直接可以涵蓋EUV光刻機所使用的極紫外光，這是一項光電子領域的重大突破。換句話說，在這一技術領域有所突破以后，我國已經開始有機會能夠打破美國對于極紫外光源技術的“一家獨霸”，并且能夠一舉解決掉現在EUV光刻機穩定性差、壽命短的致命缺陷。該重要研究成果已發表在世界《自然》雜志上，研究表明，研究團隊利用波長1064nm的激光,操控位于儲存環內的電子束，電子束在繞環一整圈（周長48米）后形成了精細的微結構，即“穩態微聚束”。 通過探測輻射，研究團隊驗證了微聚束的形成，隨后又驗證了SSMB的工作機理。該粒子可以獲得光刻機所需要的極紫外（EUV）波段，這為大功率EUV光源的突破提供全新的解決思路。

圖1 實驗示意圖^[1]

（3）中南大學黃伯云院士團隊研發出3000℃耐燒蝕新材料；

高超聲速飛行是指飛行速度等于或大于5倍聲速，即至少每小時6120公里。實現超音速的前提是飛行器的關鍵結構部件能夠承受住劇烈的空氣摩擦和高達2000-3000℃的熱氣流沖擊而不被破壞。目前，最大的挑戰之一是如何保護關鍵部件，如前緣、燃燒室和機頭，使它們在飛行過程中超過2000攝氏度的溫度下經受嚴重氧化和熱流的極端沖刷。Hf和Zr的二硼化物被認為是這類成分中最有前景的候選成分，在候選超高溫陶瓷(UHTCs)中，其抗氧化性最高可達1500℃。其中，ZrB₂因其低密度和成本而備受關注。然而，有兩個關鍵因素阻礙了它的應用:第一，高硼含量(約66。%)導致材料在高溫氣體沖刷下的嚴重損失，因為在1200℃以上硼氧化物快速蒸發。其次，單片ZrB₂往往由于低韌性和較差的抗熱震性能而災難性地失效。為了減少硼氧化物的蒸發，提高ZrB₂的抗燒蝕性，在ZrB₂中加入硅化物(如SiC_12,13, MoSi₂等)和碳化物(如ZrC₁₅)形成多相陶瓷。相比之下，對于單相多元件陶瓷的開發，人們的關注相對較少。這些因素都意味著，目前用于極端環境的候選材料的數量有限，從減少蒸發和更好的抗氧化性能方面探索新型單相陶瓷的潛力十分重要。此外，在碳纖維增強碳基(C/C)復合材料中引入這種陶瓷可能是提高抗熱震性能的有效途徑。中南大學粉末冶金國家實驗室黃伯云院士團隊通過大量實驗，開發了一種新型的耐3000℃燒蝕的陶瓷涂層及其復合材料，這一發現有可能為高超聲速飛行器的研制鋪平道路。這種陶瓷是一種多元含硼單相碳化物，具有穩定的碳化物晶體結構，由Zr、Ti、C和B四種元素組成。研發團隊采用熔滲工藝將多元陶瓷相引入到多孔炭/炭復合材料中，進而獲得一種非常有潛力的新型Zr-Ti-C-B陶瓷涂層改性的炭/炭復合材料。由于這種超高溫陶瓷兼具了碳化物的高溫適應性和硼化物的抗氧化特性，使上述涂層和復合材料表現出優越的抗燒蝕性能和抗熱震性能，是高超聲速飛行器關鍵部件極具前景的候選材料。

圖2 Zr-Ti-C-B陶瓷涂層改性的炭/炭復合材料燒蝕試驗照片及試樣形貌^[2]

（4）陳光教授開發出高塑性耐高溫TiAl PST單晶；

TiAl基合金是一種新興的金屬間化合物結構材料。具有低密度、高比強度和比彈性模量，高溫時仍可保持較高強度的同時具有良好的抗蠕變及抗氧化性能。這使其成為航天、航空、汽車發動機等耐熱結構件的理想材料。因此，世界各國研究者都在大力開發 TiA1 合金。然而 TiA1 合金的短板是其塑性非常低，室溫延伸率通常小于2%，嚴重限制了它的實際應用。針對這一國際性難題，南京理工大學材料評價與設計教育部工程研究中心陳光教授團隊經過長期的研究，制備出了0° PST TiAl 單晶，性能上實現了新的大幅度跨越。PST TiAl 單晶材料室溫拉伸塑性和屈服強度分別高達6.9%和708MPa，抗拉強度高達978MPa，實現了高強高塑的優異結合。更為重要的是，該合金在900℃時的拉伸屈服強度約為637MPa，并具優異的抗蠕變性能，相關成果《Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications》于2016年6月20日在線發表于Nature Materials(《自然材料》)。其最小蠕變速率和持久壽命均優于4822合金1~2個數量級，有望把目前 TiAl 合金的使用溫度從 650~750℃ 提高到 900℃ 以上。北京航空材料研究院曹春曉院士指出：“通常，鎳基單晶高溫合金的承溫能力每提高25~30℃，即為一代新合金。陳光教授團隊發明的 TiAl 單晶合金，一下將承溫能力提高了150~250℃以上，是重大突破，屬引領性成果。這項關鍵材料技術誕生于我國，是我們國家和民族的驕傲與自豪！

圖3 PST單晶顯微組織示意圖^[3]

（5）李殿中成功解決大規格鋼錠成分偏析難題；

在服役過程中，材料的缺陷經常導致各種失效。一種典型的缺陷，稱為宏觀偏析，在凝固過程中經常發生。它反映了一種化學成分變化的現象，在鑄件和鑄錠中，化學成分變化的范圍從幾毫米到幾厘米，甚至到幾米。雖然這一缺陷在近500年前就被描述在青銅槍管中，但宏觀偏析理論是大約半個世紀前由弗萊明及其同事首創。在此之前，宏觀偏析被認為是凝固過程中由于密度對比而產生的重力驅動流動的結果。目前，宏觀偏析是由三種已知的力引起的:自然熱溶質對流的浮力、顆粒沉降或浮選的固體移動力和凝固過程中體積收縮的收縮力。其中最典型和最嚴重的是通道偏析，這一問題長期以來一直是冶金、地球物理和地質學領域的研究課題。根據經典的宏觀偏析理論，鋼中的宏觀偏析主要是由于枝晶間的熱溶質浮力，這是由于富溶質熔體和塊狀液體之間的密度不同所致。為了很好的解決此問題，金屬所李殿中研究員將直徑2.4米，高3.5米，單重100多噸的大鋼錠一剖為二。從剖開的橫斷面發現了很多孔洞和裂紋，這是導致鋼錠易報廢的主要原因。之前的經典理論認為通道型偏析是鋼的自然對流驅動的，但本實驗從剖開的橫斷面看到了許多條氧化物引起的偏析流線，分析認為，這些通道型偏析的形成是氧在鋼中起到了關鍵作用，以氧化物為核心的輕質夾雜物與凝固界面的交互作用，誘發了鋼錠的成分不均勻性，因此，通過控制鋼水中的氧含量，就能顯著減少夾雜物的數量和尺寸，實現鋼的均質性，以達到提升鋼的性能的作用。李殿中根據實驗結果撰寫的論文發表在Nature Communications雜志上，引發了國際較大反響，“控氧可有效控制偏析”機理成為行業共識。

圖4 枝晶間區域包裹體浮選示意圖，該原理圖揭示了圍繞鋼錠側壁的三維枝晶生長。插圖顯示了枝晶間區域的二維投影[4]

參考文獻：

[1] Xiujie Deng,?Alexander Chao,?J?rg Feikes?et al. Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching. Nature.

[2] Yi Zeng, Dini Wang , Xiang Xiong et al, Ablation-resistant carbide Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26

for oxidizing environments up to 3,000 ℃. Nature communications.

?[3] Guang Chen , Yingbo Peng, Gong Zheng et al. Polysynthetic twinned TiAl single crystals for

high-temperature applications. Nature Materials.

[4] Dianzhong Li?, Xing-Qiu Chen?, Paixian Fu et al. Inclusion flflotation-driven channel segregation in solidifying steels. Nature communications

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