大國重器（三）：近年來我國科學家突破的關鍵“卡脖子”技術

鋼鐵俠 2年前 (2022-01-02) 4434瀏覽

縱觀當今全球局勢，各國之間科技競爭異常激烈，誰掌握了高科技主動權，誰就掌握了優先主動權。改革開放以后，我國的科技不斷取得進步，以華為為代表的一大批企業率先走到了全球的前面。然而，自特朗普上任以來，悍然對我國發動了曠日持久的貿易戰，制裁了我國的高科技企業發動。美國一系列政策既是對我國科技發展的阻礙，但同時又警醒了國人。落后就要挨打，只有把飯碗端在自己手中，才能在面對別國的制裁時顯得游刃有余。為此，各大高校和科研院所不僅開始了愛國愛黨的教育，同時比以往任何時候都更加注重人才的培養。另外，我國近些年來在一些列科學技術上也都實現了跨越式發展。這些突破不僅表現在重大技術的攻關能力，還體現在重大基礎知識的研究上。接下來，筆者為大家介紹的正是近年來被我國科學家所攻破的關鍵技術，這些技術使得我國在某些方面擺脫了長期以來對西方發達國家的依賴。有些則甚至走到了國際前列，為我國國防和民生貢獻了重要力量。在這些技術上面，我們可以體會到什么叫科學技術是第一生產力。

1.西安交大梅雪松教授高端包裝印刷裝備關鍵技術及系列產品開發；

印刷包裝行業遍及生活的角角落落，隨著社會的大力發展，該行業呈現急劇上升的態勢。以前的印品存在質量差、能耗高、污染大，包裝殘留超標等較為嚴重地問題。在2007年以前，我國的高端包裝印刷設備嚴重依賴于德國，日本，瑞士等發達國家的進口。在資本的驅使下，一臺普普通通的設備竟然向我國賣出5000萬元的天價。我國的企業也因此長期承擔這嚴重的負荷，自主研發似乎成了剩下的唯一道路。為此，經過近30年的努力，西安交大梅雪松教授率領團隊成功研發出高端包裝印刷裝備關鍵技術及系列產品開發。該項目不僅解決了高端包裝印刷裝備的多個技術難題，還使高端包裝印刷裝備高度國產化，實現了出口大于進口的逆轉。該項目主要突破的技術如下：(1) 高速高精度電子軸控制理論和技術體系，開發了集同步、張力控制和缺陷檢測為一體的分布式電子軸控制系統；(2)發明了熱風能量循環利用的節能油墨干燥系統；(3)提出了基于內置傳感器和支持向量機的在線故障診斷方法，開發了制造商服務云與用戶自有云的兩層運維管控平臺。這些關鍵技術提高了印刷精度和準確程度，解決了油墨烘干技術難題，提供了在線故障檢測和云服務，每臺裝備都可以聯網，實現制造商與企業用戶兩層運維管控。一系列項目成果大幅提升了國產高端包裝印刷裝備的市場競爭力，使國外產品在中國市場份額由95%降到10%以下[1]。

圖1 梅雪松教授團隊正在研發的智能生產系統[1]

2.孫軍院士高性能鉬合金材料制備關鍵技術及其應用

相信研究金屬材料的通道門都知道，Mo是一種稀有金屬，為事關國家重大產業的戰略性金屬。稀土是我國的巨大優勢，但是其中Mo及其合金的一直以來都面臨著強度低，塑性差，脆性大等一系列問題，難以滿足國之重器的需求。西安交大材料學院的孫軍院士長期專注于金屬材料強韌化理論與應用等方面的研究。經過長期的努力，發明了納米結構高強韌鉬合金制備技術，為Mo合金的應用帶來了革命性的變化。該技術的成功應用使合金強度與塑性分別提高20%和150%，突破了同步提升鉬合金強度、塑性和韌性三大瓶頸問題，大幅度提升了鉬合金的高溫再結晶溫度和使用壽命。研究的目的是為了更好地應用并實現產業化。孫軍院士的技術得到了企業金堆城鉬業股份有限公司的高度關注，并與其團隊進行了長期合作。根據他們研究技術生產的高強韌鉬合金產品已得到廣泛應用，并取得顯著的經濟社會效益，大幅度提高了我國鉬合金產品的技術附加值和更新換代速度，以及我國鉬合金產業的創新能力和國際競爭力。這些部件已應用于新型核燃料組件、高溫換熱管和新概念武器等[2]。

3.寶鋼集團開發出特高壓高效能輸變電裝備用超低損耗取向硅鋼；

超低損耗取向硅鋼是制造特高壓及高能效變壓器“心臟”的核心材料，對國家西電東送，節能減排，一帶一路等重大戰略具有非常重要的意義，國家的需求也非常大。但是該材料設計、生產制造和使用技術難度大，原有技術和裝備無法滿足要求。為此，在國家部委計劃支持下，寶鋼集團牽手東北大學，針對超低損耗取向硅鋼二次再結晶要求苛刻、工藝窗口狹窄、裝備功能特殊、使用工況復雜等難題，開展了一系列研究，實現了“材料設計-制造工藝-產線開發-科學使用”的系統性研發，目前已經成功實現批量制造與廣泛應用。在驗收相關項目時，評價委員會委員一致認為項目達到國際領先水平，打破了國外的長期壟斷。該項目獲授權發明專利37項、實用新型15項，軟件著作權1項，論文29篇，核心技術秘密235件，參與制定國家標準1項、企業標準2項，開發出18個牌號新產品，其中10個全球首發，8個填補國內空白。項目產品應用于世界第一也是唯一的±1100kV昌吉-古泉特高壓直流工程、巴西美麗山±800kV等15條特高壓直流工程，國內市場占有率98.7%；批量應用于新一級能效配電變壓器。項目解決了超低損耗取向硅鋼技術領域“卡脖子”問題，實現了我國取向硅鋼技術全球引領的地位，促進了我國鋼鐵行業高質量發展，為我國特高壓及高能效輸變電技術全球領先奠定了重要基礎，經濟和社會效益貢獻巨大[3,4]。

圖2 超低損耗取向硅鋼在變壓器中的應用

4.西工大成功研發稀土永磁機；

談起北斗導航系統，國內很多人都已知曉，甚至平日里你手機所用的導航軟件可能就連接的是北斗導航。這一系統可謂是國之重器，讓我過擺脫了被人“卡脖子”的命運，極大提高了我國在國際上的話語權。可是北斗導航系統的成果離不開一關鍵技術—稀土永磁電機。在國家重大航空航天的項目與科技攻關方面，西工大從來都不曾缺席。來自西工大自動化學院的馬瑞卿教授團隊經過10多年的艱苦探索。在稀土永磁電機及控制技術航空航天工程應用領域做了大量開創性工作，多項研究成果填補國內空白，打造了一個“航空航天電機王國”。先后開發成功稀土永磁無刷直流電動機、同步電動機、同步發電機、步進電機、特種電機伺服系統等系列產品，研究成果廣泛應用于航空航天及國防領域，產生了顯著的社會和經濟效益。這些技術已經授權國家發明專利近百項，榮立中國航空工業總公司個人三等功，并兩次榮獲“三秦人才”稱號，為我國航空航天科技事業做出了突出貢獻[5]。

圖3 “天問一號”探測器在海南島東北海岸中國文昌航天發射成功

5.清華大學工業煙氣多污染物協同深度治理技術及應用；

該項目圍繞我國鋼鐵、建材等行業煙氣多污染物協同深度減排難題，發明了雙功能催化劑、碳基多功能材料及覆膜梯度濾料等核心材料，研制了脫硫除塵及低溫多污染物吸附再生關鍵裝備，開發了系列多污染物協同深度治理先進工藝，工程運行結果滿足了全球最嚴格的超低排放。項目在煙氣常規、非常規多污染物協同控制理論、核心功能材料、深度治理技術及裝備、標準化評價體系等方面取得了重大創新突破，實現了工業爐窯/鍋爐煙氣多污染物協同深度治理，形成“基礎理論-技術方法-產業引領-決策支撐”的完整創新鏈，在核心材料、關鍵裝備、先進工藝等方面取得了多項創新成果，引領了工業煙氣深度治理技術與產業進步。成果已在鋼鐵燒結、水泥、玻璃等行業進行工程示范及推廣應用，遍及全國32個省市自治區及海外23個國家，引領了工業煙氣深度治理技術與產業進步，為國家打贏藍天保衛戰發揮了重要作用[6]。?

圖4 鋼鐵行業超低排放工程[7]

6.哈工大苑世劍教授牽頭研發難變形合金異形整體薄殼雙調熱介質壓力成形技術

隨著新一代航空航天飛行器、高鐵和新能源汽車向大型化、輕量化、高性能化、長壽命和高可靠性方向發展,對高性能復雜整體薄壁構件的需求更為迫切。這類構件突出的制造難題是材料難變形,形狀復雜,性能要求高。這些難題互相耦合,使得此類構件制造難度極大,超出現有技術的成形極限,為傳統成形技術帶來巨大的挑戰。哈工大材料學院的苑世劍教授牽頭，提出了“難變形合金異形整體薄殼雙調熱介質壓力成形技術”，該項目在國際上首次發現應變和應變率雙硬化提高變形均勻性的疊加效應，發明基于疊加效應的雙調熱介質壓力成形技術和裝備，解決了傳統單硬化成形技術的固有局限性，突破難變形合金異形整體薄殼制造技術瓶頸，成套技術成功應用于航空發動機等國之重器，以及高鐵、新能源汽車和高端運動車等行業的批量生產[8]。

7.張立同院士團隊開發出耐高溫、抗氧化、長壽命陶瓷基復合材料；

發動機是飛機的心臟，葉片又是發動機的心臟，其中鑄造變形問題是提高航空發動機渦輪葉片質量的關鍵。渦輪葉片主要靠熔模精鑄的方法生產，葉片尺寸的精度和光潔度要求很高，過去要靠兩次拋光才能完成，需要大量的人力和拋光設備，生產過程中不但易產生變形、浪費大，而且破壞了葉片表面的致密層，降低了強度。無余量熔模精密鑄造，葉片的工作面無需加工就可以達到所要求的尺寸精度和表面光潔度。無余量熔模鑄造技術是10項技術秘密之一，它是發動機葉片等高溫核心部件生產不可缺少的重要方法。西北工業大學張立同院士課題組經過近十年刻苦攻關，領科研團隊全面突破了碳化硅陶瓷基復合材料制造工藝與設備的一系列核心技術，其材料的性能達到國際先進水平，獲得了12項國家發明專利，形成了具有獨立知識產權的制造工藝及設備體系，建成了我國第一個超高溫結構復合材料實驗室，打破了西方國家對我國的技術和設備封鎖，使我國一躍成為繼法國和美國之后，全面掌握碳化硅陶瓷基復合材料CVI制造技術及其設備的第三個國家。其發明的技術成功在航空發動機、液體火箭發機、沖壓發動機、固體火箭發動機和飛行器防熱結構上均一次試車成功。其中，代替鎢滲銅減重 90％。不僅為陶瓷基復合材料高科技產業奠定了堅實基礎，而且推動了交通運輸、新型能源、化學化工以及機械等行業的技術進步，潛在市場每年可達約10億元[10,11]。

圖5 殲20戰斗機

8.中科院金屬所研制出適用于管道類大型構件抗超臨界水氧化的超高速滲鋁技術；

就我國電力行業來說，火電依然是主流。隨著技術的進步，我國正在推行700℃超臨界火力發電技術計劃，以提高發電效率，降低CO₂排放。這就要求提高鍋爐運行參數和發電熱效率，相應地，必須提高鍋爐高溫段耐熱鋼管道內壁抗超臨界水氧化性能才能保證真個系統的平穩運行。傳統耐熱鋼在超臨界電站的工作壽命遠低于亞臨界電站，主要是因為氧化鉻膜在超臨界水環境中更易于脫落并揮發，從而出現災難性氧化。國際上上的主流方案分別是含鋁耐熱鋼和管材低溫滲鋁。但到目前為止，含鋁耐熱鋼加工和焊接性能不足，低溫滲鋁很難避免裂紋，因此這2個方案都沒有得到很好的應用，主要原因是。低溫滲鋁層為多層金屬間化合物脆性相層，涂層組織和涂層厚度對熱擴散溫度非常敏感。因此，研究出適用于耐熱管材內表面的新型抗超臨界水氧化涂層技術是實現超臨界火力發電的關鍵技術和科學問題。

為此，中國科學院金屬研究所高溫防護涂層課題組副研究員沈明禮提出利用渦流電遷移加速金屬表面合金化的新思想，成功實現了對大型構件表面進行超高速可控滲鋁。實驗表明，對試樣通入脈沖電流，利用電流自身的焦耳熱及表層渦流電遷移效應，10min內在涂有滲鋁料漿的耐熱鋼表面可生長出塑韌性較好的厚度~35μm的FeAl或FeCrAl滲層。在更高的電流密度下，在更短的時間內（5min）可獲得塑性固溶態FeCrAl滲層，滲層厚度可達~35μm。通過優化滲鋁料漿配方，使得在相同條件下，5min內獲得了~106μm 的FeCrAl層，生長速率提高將近一個數量級。對于實際尺寸的耐熱鋼管，傳統工藝僅加熱升溫階段都需要數小時，而該技術依然僅需數分鐘實現超高速滲鋁。這是傳統工藝無法實現的，且該技術有利于避免傳統滲鋁涂層脆性開裂的問題。電遷移效應改變了擴散模式，促進了鐵原子的外擴散，名義擴散系數是傳統方法的十倍以上。此外，由于低成本、易操作，該技術還可應用于制備化工管道類部件的高溫防護涂層。該方法已獲得國家發明專利授權，相關研究工作已公開發表在Nature Communications期刊上。

圖5 （a）FeAl及FeCrAl滲層在高溫水蒸汽中的氧化動力學曲線，（b）基體（左）和滲鋁樣品（右）高溫水蒸汽氧化后的宏觀照片，（c）基體（d）滲鋁層氧化膜截面照片[12]