大国重器：近年来我国科学家突破的“卡脖子”技术(二)

大国重器是一个国家在科技以及综合国力进步的重要表现，例如我国北斗导航系统的全球覆盖以及歼20战机地的研制成功，极大地提高了我国在国际中的话语权及其国际地位。笔者认为，做科研最重要的目的之一就是要突破国防的重要瓶颈以及国家级重要工程面临的难题。根据Web of Science平台的报告，我国在2019年的发文总量就已经超越了美国，但是我国仍然有很多技术被卡脖子，例如芯片、大推力发动机以及光刻机等。发论文是对基础研究的理解并不断建立新理论，是科技研究创新的源泉。但是如果不进行成果转化，这些理论则相当于一张锁紧抽屉的白纸。近些年来，在我国科学家的不断努力之下，很多卡脖子的技术被攻克，达到国际先进甚至领先水平。材料作为最基础的产业，其在先进设备的制造过程中发挥着重要作用。笔者今天为大家梳理一些近年来被我国科学家突破的重要技术，这些技术已经走出实验室，有些甚至已经列装在重要的大国重器上面。

（1）李贺军院士发明高性能碳/碳复合材料系列低成本制备新技术；

碳/碳复合材料，是以碳纤维为骨架来增强碳或石墨基体的复合材料,是一种战略性材料，主要用于先进空天飞行器、其动力系统以及高尖端武器装备。其关键技术一直被西方国家严密封锁，上世纪90年代初，国内对于该材料的研究尚处在起步阶段。 碳/碳复合材料高于一定温度便开始氧化，严重制约了其在高温极端环境下的可靠应用。另外，碳/碳复合材料性能不稳定、成本高、氧化敏感性高、表面微结构复杂，传统涂层理论与方法已难于满足，提高材料性能及稳定性、长寿命涂层理论创新与技术突破是国际公认的挑战性难题。 西工大李贺军院士及其团队经过数十年的研究，在碳/碳复合材料抗氧化涂层的研究已从先前使用温度1400℃、防护时间30小时提高到1600℃、防护时间900小时，实现了国内碳/碳复合材料抗氧化研究的大飞跃。原国防科工委鉴定意见认为：抗氧化涂层技术达到国际领先水平，填补了国内空白，为中国在世界碳/碳复合材料研究领域赢得了声誉和地位。

另外，李贺军院士将压力加工的方法跨界用于碳/碳复合材料的制备，实现了该材料由航空航天战略性武器应用向兵器常规战术武器应用的突破。这种高性能碳/碳复合材料系列低成本制备新技术，已在国防重点领域内多个型号装备中应用，为相关国防高技术武器装备的效能提升提供了重要支撑。 他们研制的碳/碳复合材料作为耐高温的关键部件，用于多种型号的固体火箭发动机喉衬、超音速导弹的热防护系统等新一代武器装备，为国防现代化建设和军民融合发展做出了重大贡献。

（2）清华大学在光刻机光源领域获得重大突破；

在过去的三年中，美国总共对华为公司发出了三轮制裁，将芯片问题牢牢的卡住。严重地阻碍了华为公司手机业务的发展。这种制裁不仅伤害了华为公司，还严重伤害了亿万华夏子孙的内心。的确，这种被人拴住脖子的滋味很难受，为此我国也掀起了一轮芯片研发热潮。国务院甚至出文件，要求国内芯片在2025年实现 75%以上的自给自足。国内多家科研机构，包括中科院，清华大学等。都义无反顾的加入了芯片研发行列。华为的子公司海思就有设计国际顶尖芯片的能力，可是苦于不能投入生产，主要原因是不能制造出高端光刻机。光刻机的最主要的硬件是镜头，由钼和硅制两个特殊材料制成，被相关国家死死的把控，所以材料的匮乏是我国光刻机技术迟迟攻克不下的主要原因。前段时间，我国顶级学府清华大学的科研团队正式官宣，他们已经完成了“稳态微聚束（SSMB）”的测试，这标志着我们在芯片光源这个领域里面再一次取得了重大突破。所谓的SSMB光源，实际上就是一种新型粒子加速器光源，区别于现在荷兰ASML的EUV光刻机光源，这种SSMB光源在功率、重频等方面都要比前者高出很多，其波长直接可以涵盖EUV光刻机所使用的极紫外光，这是一项光电子领域的重大突破。换句话说，在这一技术领域有所突破以后，我国已经开始有机会能够打破美国对于极紫外光源技术的“一家独霸”，并且能够一举解决掉现在EUV光刻机稳定性差、寿命短的致命缺陷。该重要研究成果已发表在世界《自然》杂志上，研究表明，研究团队利用波长1064nm的激光,操控位于储存环内的电子束，电子束在绕环一整圈（周长48米）后形成了精细的微结构，即“稳态微聚束”。 通过探测辐射，研究团队验证了微聚束的形成，随后又验证了SSMB的工作机理。该粒子可以获得光刻机所需要的极紫外（EUV）波段，这为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。

图1 实验示意图^[1]

（3）中南大学黄伯云院士团队研发出3000℃耐烧蚀新材料；

高超声速飞行是指飞行速度等于或大于5倍声速，即至少每小时6120公里。实现超音速的前提是飞行器的关键结构部件能够承受住剧烈的空气摩擦和高达2000-3000℃的热气流冲击而不被破坏。目前，最大的挑战之一是如何保护关键部件，如前缘、燃烧室和机头，使它们在飞行过程中超过2000摄氏度的温度下经受严重氧化和热流的极端冲刷。Hf和Zr的二硼化物被认为是这类成分中最有前景的候选成分，在候选超高温陶瓷(UHTCs)中，其抗氧化性最高可达1500℃。其中，ZrB₂因其低密度和成本而备受关注。然而，有两个关键因素阻碍了它的应用:第一，高硼含量(约66。%)导致材料在高温气体冲刷下的严重损失，因为在1200℃以上硼氧化物快速蒸发。其次，单片ZrB₂往往由于低韧性和较差的抗热震性能而灾难性地失效。为了减少硼氧化物的蒸发，提高ZrB₂的抗烧蚀性，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，对于单相多元件陶瓷的开发，人们的关注相对较少。这些因素都意味着，目前用于极端环境的候选材料的数量有限，从减少蒸发和更好的抗氧化性能方面探索新型单相陶瓷的潜力十分重要。此外，在碳纤维增强碳基(C/C)复合材料中引入这种陶瓷可能是提高抗热震性能的有效途径。中南大学粉末冶金国家实验室黄伯云院士团队通过大量实验，开发了一种新型的耐3000℃烧蚀的陶瓷涂层及其复合材料，这一发现有可能为高超声速飞行器的研制铺平道路。这种陶瓷是一种多元含硼单相碳化物，具有稳定的碳化物晶体结构，由Zr、Ti、C和B四种元素组成。研发团队采用熔渗工艺将多元陶瓷相引入到多孔炭/炭复合材料中，进而获得一种非常有潜力的新型Zr-Ti-C-B陶瓷涂层改性的炭/炭复合材料。由于这种超高温陶瓷兼具了碳化物的高温适应性和硼化物的抗氧化特性，使上述涂层和复合材料表现出优越的抗烧蚀性能和抗热震性能，是高超声速飞行器关键部件极具前景的候选材料。

图2 Zr-Ti-C-B陶瓷涂层改性的炭/炭复合材料烧蚀试验照片及试样形貌^[2]

（4）陈光教授开发出高塑性耐高温TiAl PST单晶；

TiAl基合金是一种新兴的金属间化合物结构材料。具有低密度、高比强度和比弹性模量，高温时仍可保持较高强度的同时具有良好的抗蠕变及抗氧化性能。这使其成为航天、航空、汽车发动机等耐热结构件的理想材料。因此，世界各国研究者都在大力开发 TiA1 合金。然而 TiA1 合金的短板是其塑性非常低，室温延伸率通常小于2%，严重限制了它的实际应用。针对这一国际性难题，南京理工大学材料评价与设计教育部工程研究中心陈光教授团队经过长期的研究，制备出了0° PST TiAl 单晶，性能上实现了新的大幅度跨越。PST TiAl 单晶材料室温拉伸塑性和屈服强度分别高达6.9%和708MPa，抗拉强度高达978MPa，实现了高强高塑的优异结合。更为重要的是，该合金在900℃时的拉伸屈服强度约为637MPa，并具优异的抗蠕变性能，相关成果《Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications》于2016年6月20日在线发表于Nature Materials(《自然材料》)。其最小蠕变速率和持久寿命均优于4822合金1~2个数量级，有望把目前 TiAl 合金的使用温度从 650~750℃ 提高到 900℃ 以上。北京航空材料研究院曹春晓院士指出：“通常，镍基单晶高温合金的承温能力每提高25~30℃，即为一代新合金。陈光教授团队发明的 TiAl 单晶合金，一下将承温能力提高了150~250℃以上，是重大突破，属引领性成果。这项关键材料技术诞生于我国，是我们国家和民族的骄傲与自豪！

图3 PST单晶显微组织示意图^[3]

（5）李殿中成功解决大规格钢锭成分偏析难题；

在服役过程中，材料的缺陷经常导致各种失效。一种典型的缺陷，称为宏观偏析，在凝固过程中经常发生。它反映了一种化学成分变化的现象，在铸件和铸锭中，化学成分变化的范围从几毫米到几厘米，甚至到几米。虽然这一缺陷在近500年前就被描述在青铜枪管中，但宏观偏析理论是大约半个世纪前由弗莱明及其同事首创。在此之前，宏观偏析被认为是凝固过程中由于密度对比而产生的重力驱动流动的结果。目前，宏观偏析是由三种已知的力引起的:自然热溶质对流的浮力、颗粒沉降或浮选的固体移动力和凝固过程中体积收缩的收缩力。其中最典型和最严重的是通道偏析，这一问题长期以来一直是冶金、地球物理和地质学领域的研究课题。根据经典的宏观偏析理论，钢中的宏观偏析主要是由于枝晶间的热溶质浮力，这是由于富溶质熔体和块状液体之间的密度不同所致。为了很好的解决此问题，金属所李殿中研究员将直径2.4米，高3.5米，单重100多吨的大钢锭一剖为二。从剖开的横断面发现了很多孔洞和裂纹，这是导致钢锭易报废的主要原因。之前的经典理论认为通道型偏析是钢的自然对流驱动的，但本实验从剖开的横断面看到了许多条氧化物引起的偏析流线，分析认为，这些通道型偏析的形成是氧在钢中起到了关键作用，以氧化物为核心的轻质夹杂物与凝固界面的交互作用，诱发了钢锭的成分不均匀性，因此，通过控制钢水中的氧含量，就能显著减少夹杂物的数量和尺寸，实现钢的均质性，以达到提升钢的性能的作用。李殿中根据实验结果撰写的论文发表在Nature Communications杂志上，引发了国际较大反响，“控氧可有效控制偏析”机理成为行业共识。

图4 枝晶间区域包裹体浮选示意图，该原理图揭示了围绕钢锭侧壁的三维枝晶生长。插图显示了枝晶间区域的二维投影[4]

参考文献：

[1] Xiujie Deng, Alexander Chao, Jörg 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

本文由虚谷纳物供稿。

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