大国重器（三）：近年来我国科学家突破的关键“卡脖子”技术

钢铁侠 3年前 (2022-01-02) 5957浏览

纵观当今全球局势，各国之间科技竞争异常激烈，谁掌握了高科技主动权，谁就掌握了优先主动权。改革开放以后，我国的科技不断取得进步，以华为为代表的一大批企业率先走到了全球的前面。然而，自特朗普上任以来，悍然对我国发动了旷日持久的贸易战，制裁了我国的高科技企业发动。美国一系列政策既是对我国科技发展的阻碍，但同时又警醒了国人。落后就要挨打，只有把饭碗端在自己手中，才能在面对别国的制裁时显得游刃有余。为此，各大高校和科研院所不仅开始了爱国爱党的教育，同时比以往任何时候都更加注重人才的培养。另外，我国近些年来在一些列科学技术上也都实现了跨越式发展。这些突破不仅表现在重大技术的攻关能力，还体现在重大基础知识的研究上。接下来，笔者为大家介绍的正是近年来被我国科学家所攻破的关键技术，这些技术使得我国在某些方面摆脱了长期以来对西方发达国家的依赖。有些则甚至走到了国际前列，为我国国防和民生贡献了重要力量。在这些技术上面，我们可以体会到什么叫科学技术是第一生产力。

1.西安交大梅雪松教授高端包装印刷装备关键技术及系列产品开发；

印刷包装行业遍及生活的角角落落，随着社会的大力发展，该行业呈现急剧上升的态势。以前的印品存在质量差、能耗高、污染大，包装残留超标等较为严重地问题。在2007年以前，我国的高端包装印刷设备严重依赖于德国，日本，瑞士等发达国家的进口。在资本的驱使下，一台普普通通的设备竟然向我国卖出5000万元的天价。我国的企业也因此长期承担这严重的负荷，自主研发似乎成了剩下的唯一道路。为此，经过近30年的努力，西安交大梅雪松教授率领团队成功研发出高端包装印刷装备关键技术及系列产品开发。该项目不仅解决了高端包装印刷装备的多个技术难题，还使高端包装印刷装备高度国产化，实现了出口大于进口的逆转。该项目主要突破的技术如下：(1) 高速高精度电子轴控制理论和技术体系，开发了集同步、张力控制和缺陷检测为一体的分布式电子轴控制系统；(2)发明了热风能量循环利用的节能油墨干燥系统；(3)提出了基于内置传感器和支持向量机的在线故障诊断方法，开发了制造商服务云与用户自有云的两层运维管控平台。这些关键技术提高了印刷精度和准确程度，解决了油墨烘干技术难题，提供了在线故障检测和云服务，每台装备都可以联网，实现制造商与企业用户两层运维管控。一系列项目成果大幅提升了国产高端包装印刷装备的市场竞争力，使国外产品在中国市场份额由95%降到10%以下[1]。

图1 梅雪松教授团队正在研发的智能生产系统[1]

2.孙军院士高性能钼合金材料制备关键技术及其应用

相信研究金属材料的通道门都知道，Mo是一种稀有金属，为事关国家重大产业的战略性金属。稀土是我国的巨大优势，但是其中Mo及其合金的一直以来都面临着强度低，塑性差，脆性大等一系列问题，难以满足国之重器的需求。西安交大材料学院的孙军院士长期专注于金属材料强韧化理论与应用等方面的研究。经过长期的努力，发明了纳米结构高强韧钼合金制备技术，为Mo合金的应用带来了革命性的变化。该技术的成功应用使合金强度与塑性分别提高20%和150%，突破了同步提升钼合金强度、塑性和韧性三大瓶颈问题，大幅度提升了钼合金的高温再结晶温度和使用寿命。研究的目的是为了更好地应用并实现产业化。孙军院士的技术得到了企业金堆城钼业股份有限公司的高度关注，并与其团队进行了长期合作。根据他们研究技术生产的高强韧钼合金产品已得到广泛应用，并取得显著的经济社会效益，大幅度提高了我国钼合金产品的技术附加值和更新换代速度，以及我国钼合金产业的创新能力和国际竞争力。这些部件已应用于新型核燃料组件、高温换热管和新概念武器等[2]。

3.宝钢集团开发出特高压高效能输变电装备用超低损耗取向硅钢；

超低损耗取向硅钢是制造特高压及高能效变压器“心脏”的核心材料，对国家西电东送，节能减排，一带一路等重大战略具有非常重要的意义，国家的需求也非常大。但是该材料设计、生产制造和使用技术难度大，原有技术和装备无法满足要求。为此，在国家部委计划支持下，宝钢集团牵手东北大学，针对超低损耗取向硅钢二次再结晶要求苛刻、工艺窗口狭窄、装备功能特殊、使用工况复杂等难题，开展了一系列研究，实现了“材料设计-制造工艺-产线开发-科学使用”的系统性研发，目前已经成功实现批量制造与广泛应用。在验收相关项目时，评价委员会委员一致认为项目达到国际领先水平，打破了国外的长期垄断。该项目获授权发明专利37项、实用新型15项，软件著作权1项，论文29篇，核心技术秘密235件，参与制定国家标准1项、企业标准2项，开发出18个牌号新产品，其中10个全球首发，8个填补国内空白。项目产品应用于世界第一也是唯一的±1100kV昌吉-古泉特高压直流工程、巴西美丽山±800kV等15条特高压直流工程，国内市场占有率98.7%；批量应用于新一级能效配电变压器。项目解决了超低损耗取向硅钢技术领域“卡脖子”问题，实现了我国取向硅钢技术全球引领的地位，促进了我国钢铁行业高质量发展，为我国特高压及高能效输变电技术全球领先奠定了重要基础，经济和社会效益贡献巨大[3,4]。

图2 超低损耗取向硅钢在变压器中的应用

4.西工大成功研发稀土永磁机；

谈起北斗导航系统，国内很多人都已知晓，甚至平日里你手机所用的导航软件可能就连接的是北斗导航。这一系统可谓是国之重器，让我过摆脱了被人“卡脖子”的命运，极大提高了我国在国际上的话语权。可是北斗导航系统的成果离不开一关键技术—稀土永磁电机。在国家重大航空航天的项目与科技攻关方面，西工大从来都不曾缺席。来自西工大自动化学院的马瑞卿教授团队经过10多年的艰苦探索。在稀土永磁电机及控制技术航空航天工程应用领域做了大量开创性工作，多项研究成果填补国内空白，打造了一个“航空航天电机王国”。先后开发成功稀土永磁无刷直流电动机、同步电动机、同步发电机、步进电机、特种电机伺服系统等系列产品，研究成果广泛应用于航空航天及国防领域，产生了显著的社会和经济效益。这些技术已经授权国家发明专利近百项，荣立中国航空工业总公司个人三等功，并两次荣获“三秦人才”称号，为我国航空航天科技事业做出了突出贡献[5]。

图3 “天问一号”探测器在海南岛东北海岸中国文昌航天发射成功

5.清华大学工业烟气多污染物协同深度治理技术及应用；

该项目围绕我国钢铁、建材等行业烟气多污染物协同深度减排难题，发明了双功能催化剂、碳基多功能材料及覆膜梯度滤料等核心材料，研制了脱硫除尘及低温多污染物吸附再生关键装备，开发了系列多污染物协同深度治理先进工艺，工程运行结果满足了全球最严格的超低排放。项目在烟气常规、非常规多污染物协同控制理论、核心功能材料、深度治理技术及装备、标准化评价体系等方面取得了重大创新突破，实现了工业炉窑/锅炉烟气多污染物协同深度治理，形成“基础理论-技术方法-产业引领-决策支撑”的完整创新链，在核心材料、关键装备、先进工艺等方面取得了多项创新成果，引领了工业烟气深度治理技术与产业进步。成果已在钢铁烧结、水泥、玻璃等行业进行工程示范及推广应用，遍及全国32个省市自治区及海外23个国家，引领了工业烟气深度治理技术与产业进步，为国家打赢蓝天保卫战发挥了重要作用[6]。

图4 钢铁行业超低排放工程[7]

6.哈工大苑世剑教授牵头研发难变形合金异形整体薄壳双调热介质压力成形技术

随着新一代航空航天飞行器、高铁和新能源汽车向大型化、轻量化、高性能化、长寿命和高可靠性方向发展,对高性能复杂整体薄壁构件的需求更为迫切。这类构件突出的制造难题是材料难变形,形状复杂,性能要求高。这些难题互相耦合,使得此类构件制造难度极大,超出现有技术的成形极限,为传统成形技术带来巨大的挑战。哈工大材料学院的苑世剑教授牵头，提出了“难变形合金异形整体薄壳双调热介质压力成形技术”，该项目在国际上首次发现应变和应变率双硬化提高变形均匀性的叠加效应，发明基于叠加效应的双调热介质压力成形技术和装备，解决了传统单硬化成形技术的固有局限性，突破难变形合金异形整体薄壳制造技术瓶颈，成套技术成功应用于航空发动机等国之重器，以及高铁、新能源汽车和高端运动车等行业的批量生产[8]。

7.张立同院士团队开发出耐高温、抗氧化、长寿命陶瓷基复合材料；

发动机是飞机的心脏，叶片又是发动机的心脏，其中铸造变形问题是提高航空发动机涡轮叶片质量的关键。涡轮叶片主要靠熔模精铸的方法生产，叶片尺寸的精度和光洁度要求很高，过去要靠两次抛光才能完成，需要大量的人力和抛光设备，生产过程中不但易产生变形、浪费大，而且破坏了叶片表面的致密层，降低了强度。无余量熔模精密铸造，叶片的工作面无需加工就可以达到所要求的尺寸精度和表面光洁度。无余量熔模铸造技术是10项技术秘密之一，它是发动机叶片等高温核心部件生产不可缺少的重要方法。西北工业大学张立同院士课题组经过近十年刻苦攻关，领科研团队全面突破了碳化硅陶瓷基复合材料制造工艺与设备的一系列核心技术，其材料的性能达到国际先进水平，获得了12项国家发明专利，形成了具有独立知识产权的制造工艺及设备体系，建成了我国第一个超高温结构复合材料实验室，打破了西方国家对我国的技术和设备封锁，使我国一跃成为继法国和美国之后，全面掌握碳化硅陶瓷基复合材料CVI制造技术及其设备的第三个国家。其发明的技术成功在航空发动机、液体火箭发机、冲压发动机、固体火箭发动机和飞行器防热结构上均一次试车成功。其中，代替钨渗铜减重 90％。不仅为陶瓷基复合材料高科技产业奠定了坚实基础，而且推动了交通运输、新型能源、化学化工以及机械等行业的技术进步，潜在市场每年可达约10亿元[10,11]。

图5 歼20战斗机

8.中科院金属所研制出适用于管道类大型构件抗超临界水氧化的超高速渗铝技术；

就我国电力行业来说，火电依然是主流。随着技术的进步，我国正在推行700℃超临界火力发电技术计划，以提高发电效率，降低CO₂排放。这就要求提高锅炉运行参数和发电热效率，相应地，必须提高锅炉高温段耐热钢管道内壁抗超临界水氧化性能才能保证真个系统的平稳运行。传统耐热钢在超临界电站的工作寿命远低于亚临界电站，主要是因为氧化铬膜在超临界水环境中更易于脱落并挥发，从而出现灾难性氧化。国际上上的主流方案分别是含铝耐热钢和管材低温渗铝。但到目前为止，含铝耐热钢加工和焊接性能不足，低温渗铝很难避免裂纹，因此这2个方案都没有得到很好的应用，主要原因是。低温渗铝层为多层金属间化合物脆性相层，涂层组织和涂层厚度对热扩散温度非常敏感。因此，研究出适用于耐热管材内表面的新型抗超临界水氧化涂层技术是实现超临界火力发电的关键技术和科学问题。

为此，中国科学院金属研究所高温防护涂层课题组副研究员沈明礼提出利用涡流电迁移加速金属表面合金化的新思想，成功实现了对大型构件表面进行超高速可控渗铝。实验表明，对试样通入脉冲电流，利用电流自身的焦耳热及表层涡流电迁移效应，10min内在涂有渗铝料浆的耐热钢表面可生长出塑韧性较好的厚度~35µm的FeAl或FeCrAl渗层。在更高的电流密度下，在更短的时间内（5min）可获得塑性固溶态FeCrAl渗层，渗层厚度可达~35µm。通过优化渗铝料浆配方，使得在相同条件下，5min内获得了~106µm 的FeCrAl层，生长速率提高将近一个数量级。对于实际尺寸的耐热钢管，传统工艺仅加热升温阶段都需要数小时，而该技术依然仅需数分钟实现超高速渗铝。这是传统工艺无法实现的，且该技术有利于避免传统渗铝涂层脆性开裂的问题。电迁移效应改变了扩散模式，促进了铁原子的外扩散，名义扩散系数是传统方法的十倍以上。此外，由于低成本、易操作，该技术还可应用于制备化工管道类部件的高温防护涂层。该方法已获得国家发明专利授权，相关研究工作已公开发表在Nature Communications期刊上。

图5 （a）FeAl及FeCrAl渗层在高温水蒸汽中的氧化动力学曲线，（b）基体（左）和渗铝样品（右）高温水蒸汽氧化后的宏观照片，（c）基体（d）渗铝层氧化膜截面照片[12]