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从门外汉到行家,这位非晶合金领域的“后浪”经历了什么?

来源:新材料在线|

发表时间:2022-04-02

点击:66177



新材料在线®《大国之材》原创文章

转载请联系微信:EILIG2014

新材料在线 ID:xincailiaozaixian

图片:受访人提供、图虫创意

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作为近20年来国内外最炙手可热的高新技术材料之一, 非晶合金凭借自身突出的物理、化学和力学性能,一跃成为电子、电力、计算机以及通讯领域的关键材料。


非晶合金听起来似乎有些陌生,但要说起它另外两个常见的名字——“金属玻璃”和“液态金属”,想必大家都有所耳闻。


早在上世纪60年代,美国加州理工学院的Duwez教授,便成功研发出用快淬工艺制备非晶态合金的技术,第一块真正意义上的“金属玻璃”由此诞生。自那时起,非晶合金的相关研究开始逐渐进入人们的视野。


此后不久,国内的非晶合金领域亦不示弱,各大高校纷纷掀起一股研发热潮,而张海峰便是这股浪潮里的其中一朵浪花。


01

机缘巧合下 开启新篇章


1989年,东北大学毕业的张海峰来到中国科学院金属所,从事非晶材料的制备和其形成机理、相关性能及应用的研究工作,至今已30年有余。


面对《大国之材》的到访,张海峰教授多次表达出谦逊之意。他坦言道,当初被分配至非晶态合金实验室时,内心颇有抵触情绪。此前一直研究钢材的他,面对突如其来的“转专业”,一时间还难以适应。


然而,就连他自己也未曾想到,此后竟会与非晶合金材料“纠缠”数十年之久。


由于当时对非晶材料知之甚少,张海峰一度认为非晶合金的应用领域窄、市场认可度低。但当他真正接触后,才发现其具备的众多优越性能,如高强度、高硬度、高弹性、高耐腐蚀性、抗辐照优异的磁性……


正是非晶合金材料所特有的“优点多、应用少”的矛盾性质,让这位“门外汉”产生了想要一探究竟的念头。


1989年,张海峰团队接到的第一个任务,便是国家“85攻关”课题——非晶催化剂的应用研究。由于非晶催化属于应用研究,为了更好地掌握非晶催化剂的应用特性,张海峰团队数次往返于工厂和实验室之间,如辽化、东北制药总厂等,经常一呆就是一个月。 期间,他们一行人曾遇到一个难题,在辽化做己二腈加氢实验时,有一部分基础性实验需要回到实验室操作,但因为己二腈属有毒化学物质,既不能邮寄也不能托运,一时间让众人头疼不已。


“那时候交通工具并不发达,他和同事李杰两个人,拎着己二腈上了火车又被赶了下来。无奈之下,只好租个毛驴车,从辽化辗转一路运往沈阳。”回忆起当时的情形,张海峰忍俊不禁。


经过数年的技术攻关,该团队终于在1997年圆满完成任务,实现了专利成果的转化。从“门外汉”到“行家”,张海峰在非晶合金的研究之路上印下一个又一个脚印。


02

拓展产业化之路 先从“器”开始


“非晶材料既然是一种好材料,就一定要做到让这个材料成器!”


放眼当下的新材料大环境,非晶合金的应用范围似乎并未达到预期。究其原因,主要在于两个方面。


其一,非晶合金自身有“小脾气”。


“非晶材料具有非常独特的性能,与常见的钢、铝、镁、钛合金等不同,它的原子结构具有无序排列的特性,在热力学上处于亚稳状态,形成尺寸有限,在一定条件下容易发生结构转变,没有宏观塑性。” 张海峰向《大国之材》解释道,正是由于其特性,在一定程度上限制了材料的使用范围及条件。


其二,制备技术要求高、难度大。


目前已开发适合于产业化的块状非晶合金较少,仅有Zr、Ti基非晶合金等体系,而Zr、Ti属于活泼性金属,在熔炼过程中容易与坩埚材料反应,杂质进入到合金中影响非晶形成能力。采用冷床熔炼,可以避免杂质污染物的进入,但由于成本偏高,使用率较低,工艺控制难。


非晶合金及其复合材料的制备成形主要采用压铸、直接浇注和压力浸渗快速冷却等技术,在构件制备过程中,需快真空、快速冷却,液体在流动冲型过程中容易形成气孔等缺陷,复合材料界面容易发生反应,存在缺陷等难以控制的问题。


从合金熔炼到非晶成形,每个步骤都至关重要,面对尚待攻克的技术难关,张海峰心里颇为苦恼。


当时他的导师胡壮麒院士就常对他说,“料要成材,材要成器,非晶材料既然是一种好材料,就一定要做到这个材料成器!”谆谆教诲,言犹在耳。


1998年,张海峰团队从非晶催化研究转向块状非晶制备与应用研究领域,带着恩师的期许,迈出了“材要成器”的第一步。


研发初期,团队就陷入了困境。由于缺少现成设备,也没有足够的资金购买成熟的装备,他们只能自己摸着石头过河,自行研发并制备设备。


“当时为了找设备,我们一行人就经常去金属所里一个叫‘退库’的地方,去找适合我们可以改造来用的旧设备。”张海峰说道。


一台废置的镀膜机,28000元启动资金,张海峰研发非晶制备设备之路就这样开始了。一番改造后,一台可用于制作块状非晶的真空浇注和真空吸注成功面世。


这台聚众人智慧而生的“二手机器”,看似质朴无华,却处处展露风华。也正是这台设备,为团队后来研究块状非晶奠定了硬件基础。


2000年后,张海峰团队得到科技部“973项目”支持和基金委的重大、重点、面上基金等项目支持,科研条件逐渐好转,这群越挫越勇的“后浪”继续奔赴下一段科研旅程。


而此时的他们再次面临新的挑战——如何选题。


日复一日地查文献、做研讨,在经过大量的调研工作后,最终确定将突破点转向非晶合金结构功能一体化材料。经过20余年努力攻关,成功研发出具有自主知识产权的系列非晶、非晶复合材料及其构件和制备技术(包括产业化设备)。非晶复合材料构件在国际上率先实现了工程化应用,实现了量产,应用规模逐渐扩大,解决了国家某些装备的急需。


从一台废置机器到科研硕果累累,张海峰团队用行动证明了何为“磨刀不误砍柴工”。


张海峰团队部分实验室装备


“非晶合金要想实现产业化,关键在于两个方面,一是材料,二是制备装置。好的材料与成熟的装备缺一不可。”张海峰向《大国之材》表示。


材料与装备向来都是相辅相成的,唯有把“器”做好,才能将非晶材料推向更高、更广的领域。


03

“做科研一定要两手抓”


十九大报告指出,创新是引领发展的第一动力,是建设现代化经济体系的战略支撑。建立现代化经济体系,必须依赖更高层次的创新——源头式创新,即从基础研究衍生出来的、拥有完全自主知识产权的科学突破。


从供需角度看,基础研究是创新的供给侧,创新是创新驱动的供给侧,而创新驱动是经济社会发展的供给侧。因此,基础研究便是无可替代的“源头供给”


“基础研究永远是源头,没有基础研究,就谈不上应用研究。对于基础研究应该给予足够的重视,否则就会成为无源之水,无本之木。”张海峰表达了他的看法。


对此,张海峰团队正在用行动诠释这一真理。数十年深耕非晶合金领域,目前已在国际学术期刊SCI上发表学术论文300余篇,获国家授权的发明专利60多项,在国际上首先发现了非晶合金撞击释能现象和高效除色特性等。


“非晶合金原子结构的无序排列特性,能给研发工作者带来无限的遐想。”张海峰表示。在非晶材料的“产学研”之路上,这个团队仍在不断探索新的可能。


“做科研一定要两手抓,一个要抓基础,另外一个要抓应用,一定要为国家做出贡献!” 导师的一番话,是对无数科研工作者热切的期望,亦是张海峰时刻提醒自己共勉的指路明灯。


“创新链+产业链”的引导下,张海峰团队与企业达成合作,成立了辽宁金研液态金属科技有限公司和沈阳非晶金属材料制造有限公司。利用中科院金属所研发的核心技术,进行产业化,其开发的非晶复合材料产品已在国防军工等领域获得广泛应用,开创了非晶复合材料应用和量产的先河。


虽然目前非晶合金产业的发展总体上呈现迅猛的态势,但由于突破性进展专利不够,部分基础研究仍未能充分应用于产业化实践中,“纸上专利”现象仍然存在。


对此,我国合金非晶企业需要更加重视非晶合金产业的变化发展,推进“产学研”的加快落实,将专利知识产权转化为现实生产力,聚力合作引领非晶合金行业的进一步发展。


【个人简介】




张海峰,中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心前沿材料研究部主任,现任金属研究所研究员一职。国家杰出青年科学基金获得者,并入选中国科学院百人计划和国家百千万人才工程,被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号,享受政府特殊津贴。先后完成国家科技攻关、973和863等重点项目30余项,在SCI学术期刊发表研究论文300余篇,合作出版专著1部,授权国家发明专利60余项,其中多项发明专利被成功应用于国防军工和民用领域。



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