憑借著世界第一的高鐵運(yùn)營(yíng)里程和速度，中國(guó)高鐵的實(shí)力得到國(guó)際社會(huì)的認(rèn)可，已然成為一張亮麗的“中國(guó)名片”。

一路發(fā)展到今天，中國(guó)高鐵在見證了民族的滄桑巨變的同時(shí)，也見證了我國(guó)科研人員在背后的不懈探索。

城市軌道交通的車輛實(shí)現(xiàn)牽引和電制動(dòng)功能需要依靠牽引電動(dòng)機(jī)。但在21世紀(jì)初期，我國(guó)進(jìn)口一臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)需要花費(fèi)十幾萬(wàn)美元，而現(xiàn)在通過自主研發(fā)生產(chǎn)，一臺(tái)電機(jī)的價(jià)格僅需十幾萬(wàn)元人民幣。生產(chǎn)成本的直線下降，關(guān)鍵在于高速軌道交通用銅合金這一材料的成功開發(fā)。

這一成果，來自中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)。作為國(guó)內(nèi)有色金屬和冶金工程最強(qiáng)的院校之一，圍繞“走出去、講出來、幫上前”這一理念，中南大學(xué)在打通產(chǎn)學(xué)研“最后一公里”上探索出獨(dú)特的道路。

“中國(guó)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)‘跟跑’和‘并跑’已經(jīng)很不容易了，如果還要實(shí)現(xiàn)‘領(lǐng)跑’，缺乏基礎(chǔ)研究積累顯然是辦不到的。所以必須從兩頭發(fā)力，一頭是滿足應(yīng)用場(chǎng)景提出的對(duì)于高性能材料的新需求，另一頭是需要有龐大的基礎(chǔ)研究理論的積累?！敝心洗髮W(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)李周教授對(duì)新材料在線說道。

01

研發(fā)高性能銅合金引領(lǐng)電機(jī)革新

銅材料在中國(guó)的發(fā)展有著數(shù)千年的歷史，但是近代以來，用于工業(yè)的銅合金卻未能趕上時(shí)代步伐。隨著工業(yè)進(jìn)步，銅合金的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)度一度達(dá)到80%以上，但由于銅資源的匱乏，銅加工技術(shù)未能得到重視，應(yīng)用被國(guó)外掣肘。

正如20世紀(jì)90年代末，我國(guó)電動(dòng)機(jī)主要依賴進(jìn)口，技術(shù)的封鎖也讓國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的銅及銅合金找不到在應(yīng)用和驗(yàn)證的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致性能普遍較低，都不能用于大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)，嚴(yán)重制約我國(guó)重大工程實(shí)施。因此開發(fā)高強(qiáng)、高導(dǎo)、耐熱的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的銅合金材料迫在眉睫。

中南大學(xué)在有色金屬與粉末冶金領(lǐng)域有著70多年的歷史沉淀。新中國(guó)成立初期，國(guó)家就將武漢大學(xué)、中山大學(xué)等6所院校的礦冶類學(xué)科組建成中南礦冶學(xué)院，并開設(shè)國(guó)內(nèi)最早之一的金屬工藝系，攻克了人造衛(wèi)星、長(zhǎng)征系列火箭、神舟、高鐵、大飛機(jī)等諸多國(guó)家重大科研所需的關(guān)鍵材料。

以國(guó)家重大需求為己任，銅合金的開發(fā)責(zé)無旁貸的落在中南人的身上。

1999年，中南大學(xué)材料科學(xué)與工程系尹志民、汪明樸教授牽頭了一個(gè)科研項(xiàng)目：大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵材料的研究工作。

轉(zhuǎn)子通常由導(dǎo)體和磁性材料組成，包括導(dǎo)條、端環(huán)和護(hù)環(huán)。純銅由于具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性及良好的加工性能，非常適合制作功率較小、轉(zhuǎn)速較低的電機(jī)的導(dǎo)條和端環(huán)。不過，純銅的弊端在于強(qiáng)度較低，同時(shí)純銅在高溫下的抗軟化能力低。

作為軌道交通牽引動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)，隨著功率的增大，轉(zhuǎn)速的提高，車速的加快，以及環(huán)境溫度的升高，純銅顯然已經(jīng)不能滿足使用要求。

為解決我國(guó)高速軌道交通的急需，結(jié)合中南大學(xué)特有的有色金屬材料研究積累，以及對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的綜合分析梳理，尹志民、汪明樸教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出了一種具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)電和耐高溫軟化性能的高性能銅合金可用于轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部件的制造。

“但材料的研發(fā)及走上生產(chǎn)線，都不是一件容易的事情”，回想起當(dāng)年的研發(fā)經(jīng)歷，李周教授感慨道。

當(dāng)時(shí)，在材料設(shè)計(jì)過程中，電阻率、耐熱性能、電阻溫度系數(shù)的調(diào)控都屬于材料設(shè)計(jì)的一部分，但由于不同元素具有不同的功能特性。“材料設(shè)計(jì)的過程看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際上需要我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里通過無數(shù)次的測(cè)試才能達(dá)到目的?！?/p>

此外，受限于當(dāng)時(shí)的制備條件，團(tuán)隊(duì)在制作導(dǎo)條的過程中遇到了一些困難。由于學(xué)校沒有擠壓機(jī)，團(tuán)隊(duì)不得不借助湖南漣源的宏源機(jī)械廠的擠壓機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于機(jī)械廠自身還擁有生產(chǎn)任務(wù)和成本考核壓力，科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)常在凌晨1點(diǎn)等待廠家完成生產(chǎn)任務(wù)后才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。無數(shù)個(gè)日日夜夜，師生們吃在試制車間，睡在試制車間。

辛勤的付出和不懈的努力終于換來了成功的喜悅。尹志民、汪明樸教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)最終成功研發(fā)出高性能銅合金并在銅合金研究所實(shí)現(xiàn)了中試生產(chǎn)。

2000年，由株洲廠和株洲所聯(lián)合研制出時(shí)速200公里的交流機(jī)車“藍(lán)箭”竣工時(shí)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高性能銅合金就被應(yīng)用于其中。

高速軌道交通用銅合金研究與應(yīng)用開發(fā)的成功，也打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷。我國(guó)的電動(dòng)機(jī)也從依賴進(jìn)口逐步走向自主生產(chǎn)。

此后，高性能銅合金成為我國(guó)軌道交通新型動(dòng)力———大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料，并成功應(yīng)用于我國(guó)廣深高速鐵路、廣州、上海、南京、北京、武漢等多座城市的地鐵、輕軌等重大工程中。

“從材料的制備到最后的產(chǎn)品，有著很長(zhǎng)的鴻溝，是幾代人一起攻關(guān)，才把它實(shí)現(xiàn)的。”李周教授感慨地說道。

02

從需求出發(fā)，不斷推動(dòng)高性能銅合金的研究

“實(shí)現(xiàn)成果落地，將研究選題與產(chǎn)業(yè)化有機(jī)結(jié)合十分關(guān)鍵。從本科生開始，我們就鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入到科研團(tuán)隊(duì)，展開研究，通過實(shí)際的研究打牢基本功；有很多企業(yè)與我們進(jìn)行合作，幫助企業(yè)攻克技術(shù)難題，并借機(jī)建立起對(duì)產(chǎn)業(yè)需求的系統(tǒng)認(rèn)知?！崩钪芙淌趯?duì)新材料在線介紹道。

正如高性能銅合金的研發(fā)案例，李周教授得出結(jié)論：從事科研工作需充分考慮科研團(tuán)隊(duì)的特點(diǎn)，從需求端出發(fā)，緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行攻關(guān)。

銅及銅合金加工材作為人類最早使用的金屬材料，因其高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性和耐腐蝕性的物理屬性和綜合性能而在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但純銅強(qiáng)度較低，且在高溫下抗軟化能力較弱。如何在保持銅高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱的固有特性的同時(shí)，提高其強(qiáng)度，并開發(fā)出其他功能，一直是李周教授團(tuán)隊(duì)努力的目標(biāo)。

著重于高性能銅合金的設(shè)計(jì)、制備加工、相變機(jī)理、強(qiáng)化機(jī)制、導(dǎo)電機(jī)制和應(yīng)力松弛機(jī)理等的研究，李周教授所在團(tuán)隊(duì)提出了高強(qiáng)、高彈、高導(dǎo)銅合金的設(shè)計(jì)原理和方法，并發(fā)展了高強(qiáng)高導(dǎo)時(shí)效強(qiáng)化銅合金、高強(qiáng)高導(dǎo)彌散強(qiáng)化銅合金、高抗應(yīng)力松弛彈性銅合金、抗變色及耐蝕銅合金、超高強(qiáng)耐磨銅合金以及上述高性能銅合金的先進(jìn)制備技術(shù)。

從實(shí)際需求出發(fā)，中南大學(xué)高性能銅合金團(tuán)隊(duì)先后成功研制納米彌散強(qiáng)化銅合金，由于具有優(yōu)良的力學(xué)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、氣密性以及良好的抗高溫軟化能力，應(yīng)用于“神舟”系列飛船；研制的超高強(qiáng)導(dǎo)電彈性銅合金滿足了導(dǎo)航系統(tǒng)用關(guān)鍵材料的需求。開發(fā)的系列高性能銅合金及其制備技術(shù)在國(guó)內(nèi)大型銅加工企業(yè)實(shí)施。

復(fù)合材料在今后高性能銅合金的進(jìn)步中逐漸占據(jù)重要地位?！皬?fù)合材料的獨(dú)特之處在于能夠?qū)⒉煌牧系男阅苷系揭粋€(gè)體系中，實(shí)現(xiàn)性能的綜合和提升。這種糅合的過程使得材料的結(jié)構(gòu)特性和功能特性得以放大”李周教授說道。

談及產(chǎn)學(xué)研順利結(jié)合的關(guān)鍵，李周教授認(rèn)為：“基礎(chǔ)研究和學(xué)科建設(shè)是原動(dòng)力，產(chǎn)學(xué)研的工作必須從基礎(chǔ)研究開始?！?/p>

當(dāng)前，中國(guó)制造業(yè)要實(shí)現(xiàn)從“跟跑”到“并跑”再到“領(lǐng)跑”，如果缺乏針對(duì)產(chǎn)業(yè)或核心體系的大量基礎(chǔ)研究的積累，就無法實(shí)現(xiàn)“領(lǐng)跑”。要實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑，必須從兩頭發(fā)力，一要有新應(yīng)用場(chǎng)景的開拓，二要從基礎(chǔ)理論進(jìn)行突破。

在高性能銅合金的研發(fā)過程中，“沒有原始積累，就不可能有這樣一個(gè)源源不斷新型銅合金的發(fā)展”李周教授表示。

以電氣化軌道交通裝備中負(fù)責(zé)電能轉(zhuǎn)換的核心部件——IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）芯片為例。IGBT被稱為電力電子裝置的“CPU”，它是電動(dòng)車混動(dòng)系統(tǒng)和電驅(qū)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的核心設(shè)備，直接影響著車輛電機(jī)的動(dòng)力輸出。

從2004年引進(jìn)高鐵列車開始，每年中國(guó)的高鐵列車都需要進(jìn)口約十萬(wàn)個(gè)IGBT模塊，價(jià)值超過人民幣12億元。

當(dāng)前，該芯片制造用的陶瓷覆銅板就主要依賴進(jìn)口，因?yàn)槠湓谥圃爝^程中面臨著焊接工藝等挑戰(zhàn)。高壓IGBT模塊一般以標(biāo)準(zhǔn)焊接式封裝為主，原理上，在高溫環(huán)境下焊接，要求DBC陶瓷覆銅板焊接后晶粒不能夠長(zhǎng)大等，否則會(huì)影響焊接質(zhì)量。

“但如何通過設(shè)計(jì)銅合金或者純銅材料，在高溫下讓其晶粒長(zhǎng)不大，就牽涉到很多基礎(chǔ)研究”，其中包括晶界結(jié)構(gòu)調(diào)控、痕量元素晶界偏聚行為及其對(duì)晶界遷移的阻礙機(jī)制等，“因此基礎(chǔ)研究至關(guān)重要，沒有基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)和支撐，很難產(chǎn)生突破和創(chuàng)新”李周教授說道。

除此之外，科研成果的轉(zhuǎn)化作為產(chǎn)學(xué)研的“最后一公里”同樣至關(guān)重要。

中南大學(xué)一直致力于推動(dòng)科研成果的落地，材料學(xué)院積極落實(shí)學(xué)校的相關(guān)要求部署，堅(jiān)持“走出去、講出來、幫上前”，近5年來，已成功轉(zhuǎn)化成果的合同經(jīng)費(fèi)達(dá)到3億元。

李周教授介紹，所謂“走出去”，是指主動(dòng)與各類企業(yè)對(duì)接，將學(xué)院老師的研究特點(diǎn)、方向和研究成果進(jìn)行交流，讓企業(yè)了解學(xué)院的技術(shù)成果、技術(shù)儲(chǔ)備和研究方向等，從而建立起良好的合作關(guān)系?！爸v出來”則是要求老師積極參學(xué)術(shù)會(huì)議的同時(shí)，也要積極參加產(chǎn)業(yè)界的會(huì)議中，通過分享研究成果和技術(shù)，讓更多人知悉了解學(xué)院的科研實(shí)力和科研成果。而“幫上前”則是在解決企業(yè)遇到的問題時(shí)，主動(dòng)提供幫助，通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓、合作開發(fā)等方式，將團(tuán)隊(duì)的技術(shù)切入到企業(yè)中去，從而實(shí)現(xiàn)科研成果的有效轉(zhuǎn)化?！巴ㄟ^這些措施，既解決了企業(yè)的問題，又將成果轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了雙贏?！崩钪芙淌诒硎尽?/p>