2019年1月1日，《新快報(bào)》報(bào)道了廣東省新材料研究所，現(xiàn)將全文轉(zhuǎn)載如下：

兩千年前就存在的“表面”技術(shù)，如今分分鐘上天入海

2018 年 11 月 14 日 , 廣東省新材料研究所攜熱噴涂、真空鍍膜、激光制造、冷噴涂等多項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù)亮相第二十屆深圳高交會(huì)。

編者按時(shí)鐘走到了 2019 年。這是全面建成小康社會(huì)關(guān)鍵之年 , 也是新中國(guó)成立 70 周年。

70 年間 , 科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里皓首窮經(jīng)、焚膏繼晷地研究時(shí) , 我們渾然不覺 ; 突然有一天石破天驚一日千里 , 我們才在驀然回首中驚嘆生活已經(jīng)被他們改變。

科技與應(yīng)用 , 從來不是天上與人間那么遠(yuǎn)。

在這一組專題里 , 我們準(zhǔn)備帶著一身人間煙火味 , 去探訪那些讓普通人懵圈的科研實(shí)驗(yàn)室、研究所以及高新科技企業(yè) , 試圖從那里掀開未來一角的幕布。

論做表面功夫 , 還得服兩千年前的中國(guó)人老祖宗。這可不是一句帶貶義的話 , 廣東省新材料研究所所長(zhǎng)代明江特意從手機(jī)里翻出兩張照片 :" 這是我去參觀西漢南越王墓時(shí)拍下的兩張圖片。" 圖片中是展出的兩尊西漢時(shí)期的銅制器皿 , 一個(gè)腐蝕得很厲害 , 已經(jīng)露出斑駁的銅綠 , 另一個(gè)卻锃亮發(fā)光 , 表面似乎完好無損。

" 為什么會(huì)這樣 ? 其實(shí)就是因?yàn)楣そ吃谶@一尊器皿上使用了表面技術(shù)。兩千年前的中國(guó)人 , 算得上是我們研究表面材料技術(shù)的祖師爺。" 原來 , 在器皿上運(yùn)用了鎏金工藝 , 涂上薄薄一層黃金 , 就能讓它無懼千年風(fēng)霜 , 永錫難老。

這是見面初始 , 所長(zhǎng)代明江就對(duì)新快報(bào)記者講的一則逸事。

作為廣東省科學(xué)院骨干研究所之一 , 廣東省新材料研究所主要從事現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)的研究開發(fā)。材料表面科學(xué)技術(shù)被認(rèn)為是世界十大關(guān)鍵技術(shù)之一 , 在現(xiàn)代尖端技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

飛機(jī)要上天 , 潛艇要入海。

要更輕便 , 要更堅(jiān)固 , 要防水防風(fēng) , 要抗腐蝕 , 要耐高溫 ……

這些需求 , 通俗概括了表面材料科學(xué)這些年來在中國(guó)工程院院士周克崧帶領(lǐng)下攻克的一個(gè)又一個(gè)的課題。

" 不然怎么說‘一代材料 一代裝備’ ? 沒有材料科學(xué)的進(jìn)步 , 就沒有這些裝備的進(jìn)步。" 代明江一談起自己的專業(yè)領(lǐng)域 , 便興奮起來。

誕生不久擔(dān)重任 介入航空領(lǐng)域心臟

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱作 " 工業(yè)皇冠上的明珠 ", 制造業(yè)做到航空發(fā)動(dòng)機(jī)這一級(jí) , 基本就是登峰造極了。

上世紀(jì) 70 年代 , 剛剛誕生在廣州長(zhǎng)興路一帶的新材料研究室 , 一成立接手的就是這樣的 " 頂級(jí)大單 ", 也是 " 頂級(jí)大難題 "。

故事從四十多年前說起。

新材料研究所的前身廣東省有色金屬研究院新材料研究室成立于 1971 年。起初 , 海軍某部請(qǐng)材料研究室?guī)兔ψ雎菪龢耐繉印?dāng)時(shí)海軍有一種潛艇 , 需要噴涂上防海水氣泡腐蝕的材料 , 這一技術(shù)由新材料研究室攻克了。于是他們沉淀下了做熱噴涂技術(shù)的基礎(chǔ)和設(shè)備。從上世紀(jì) 80 年代開始 , 新材料研究室進(jìn)入航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層的領(lǐng)域 , 而這源于一個(gè)偶然的契機(jī)。

當(dāng)時(shí)國(guó)家引進(jìn)了國(guó)外某型號(hào)直升機(jī)的全套技術(shù) , 但外國(guó)人只有一個(gè)技術(shù)不給中國(guó) , 就是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的抗高溫氧化涂層技術(shù)。" 我們需要生產(chǎn)該型號(hào)直升機(jī)時(shí) , 就把生產(chǎn)好的葉片送到國(guó)外 , 由國(guó)外公司進(jìn)行噴涂后再送回國(guó)內(nèi)。這就受制于人了 , 你生產(chǎn)多少、能不能如期交付 , 都得看別人的進(jìn)度。" 代明江說。

恰好當(dāng)時(shí)中國(guó)工程院院士周克崧在國(guó)家的支持下開始研究高溫氧化涂層技術(shù) , 他那時(shí)還不知道這項(xiàng)技術(shù)可以在哪里應(yīng)用 , 就在全國(guó)調(diào)研 , 最終發(fā)現(xiàn)新材料室有生產(chǎn)涂層的設(shè)備 , 便來到這做研發(fā) , 一步步介入航空領(lǐng)域的心臟——發(fā)動(dòng)機(jī)。

" 發(fā)動(dòng)機(jī)有 2000 多個(gè)零部件 , 工藝精湛 , 條件苛刻。傳統(tǒng)材料的壽命、性能在這種苛刻環(huán)境下不能起作用。例如現(xiàn)在 , 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片耐受的溫度要求達(dá)到了頂級(jí)的 1800 ℃ , ( 達(dá)不到這個(gè)要求的話 ) 這些材料就軟化了 , 強(qiáng)度不夠了。" 代明江說 , 表面材料技術(shù)就是給發(fā)動(dòng)機(jī)穿上一層盔甲 , 使其更加耐高溫。可以說 , 沒有涂層 , 發(fā)動(dòng)機(jī)就用不了。

一切須根據(jù)航空部門提供的嚴(yán)格技術(shù)要求進(jìn)行 , 例如均勻性、結(jié)合強(qiáng)度、匹配性等 , 而這是一個(gè)很復(fù)雜的過程。

葉片首先要經(jīng)歷幾個(gè)清洗過程 , 包括用酒精或丙酮、超聲波振動(dòng)、高溫清理雜質(zhì) , 之后再進(jìn)行表面粗化 , 就像化妝之前上打底霜一樣 , 才能咬合住后面的涂層。接著是將涂層的陶瓷融化后 , 用非常快的速度打到葉片上去。

當(dāng)時(shí)這是國(guó)內(nèi)唯一一套生產(chǎn)葉片涂層的套設(shè)備 , 完全是從 0 到 1 的過程 , 其中的難度可想而知。但周克崧院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)硬是啃下了這塊 " 硬骨頭 "," 最難的是成品率 , 葉片形狀很復(fù)雜 , 要涂得很均勻 , 飛機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候 , 如果重量不均勻 , 就會(huì)甩、會(huì)震動(dòng) , 所以重量要控制。當(dāng)時(shí)第一次做的成品率不到 51%, 浪費(fèi)很大 "。

要讓工藝更穩(wěn)定 , 重復(fù)性更好 , 涂的時(shí)候就要更精確。機(jī)器手的運(yùn)行軌跡 , 裝卡的卡具都很有講究。一個(gè)接一個(gè)的流水線作業(yè) , 每一個(gè)動(dòng)作都要標(biāo)準(zhǔn) , 通過轉(zhuǎn)接的精確性來保證成品率。他們?cè)趯?shí)踐中琢磨研究 , 逐漸縮小參數(shù)范圍 , 隨著參數(shù)越來越精確 , 機(jī)器也就控制得越來越好。從 80 年代開始研究 ,90 年代小批量生產(chǎn) ,1993 年進(jìn)入周克崧院士團(tuán)隊(duì)的代明江見證了這一時(shí)期 , 而現(xiàn)在基本上一次成功率可以到 99% 以上。

代明江覺得 , 兩千年前的中國(guó)人 , 算得上是研究表面材料技術(shù)的祖師爺。

圖為新華社播發(fā)的江西景德鎮(zhèn)陶瓷 3D 打印成品。 廣東省新材料研究所已進(jìn)入金屬 3D 打印領(lǐng)域。

固體潤(rùn)滑、3D 打印 …… 不斷占領(lǐng)科技制高點(diǎn)。

近年來 , 圍繞廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、重點(diǎn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和高端裝備制造業(yè)及國(guó)家重大工程對(duì)材料性能不斷提升的要求 , 新材料所在航空航天、海 洋工程、先進(jìn)制造、軌道交通等領(lǐng)域 , 開展并形成了以熱噴涂技術(shù)、真空鍍膜技術(shù)、激光制造技術(shù)和表面分析檢測(cè)技術(shù)為特色的四大研究專長(zhǎng)和技術(shù)優(yōu)勢(shì) , 不斷搶占科技制高點(diǎn)。

熱噴涂、真空鍍膜 …… 說起來似乎專業(yè)難懂 , 但其實(shí) , 所有的 " 表面功夫 ", 無非都是給材料們穿上更耐高溫、更耐摩擦、更抗腐蝕的外衣 , 讓它們做到以前無法做到的事情。

代明江介紹 , 其中做得比較早的一個(gè)技術(shù)是固體潤(rùn)滑的涂層 , 叫類金剛石 ( DLC ) 。金剛石由碳元素組成 , 是自然界中天然存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì) , 甚至可以用來劃玻璃。但一是自然界存量較少 , 二是很難制備 , 要在地底下經(jīng)過高溫高壓的苛刻條件才能形成。新材料所沿著前人的足跡 , 做了一件事 , 改變了碳元素的排列結(jié)構(gòu) , 做出了類金剛石。

金剛石的結(jié)構(gòu)很規(guī)整。類金剛石則是無定型的。雖然硬度比金剛石差一點(diǎn) , 但可以在低溫低壓里合成。這樣一來 , 不需要采用昂貴的鉆石 , 工業(yè)制造里也有了幾乎一樣堅(jiān)硬耐磨的 " 鉆石替代品 "。

比如用在紡織梭、模具、活塞環(huán)中 , 就利用了其耐磨的特性。以往 , 在工業(yè)生產(chǎn)中 , 機(jī)器要減少摩擦力一般用潤(rùn)滑油來解決 , 但有的地方不允許用油 , 而且油會(huì)揮發(fā) , 也不穩(wěn)定。因?yàn)樘荚啬Σ料禂?shù)小 , 阻力小 , 由碳元素組成的類金剛石就派上了用場(chǎng) , 而且它是固體的 , 不會(huì)揮發(fā) , 應(yīng)用性更強(qiáng) , 比如用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)、易拉罐模具等需要潤(rùn)滑、耐磨的地方 , 立時(shí)就能延長(zhǎng)使用壽命、提高效能。

激光制造技術(shù)也是新材料所的強(qiáng)項(xiàng)之一。在表面技術(shù)中 , 需要用到激光能量送粉 , 粉末融化后就跟表面連在一起了 , 送粉的過程也是分層的。后來激光技術(shù)被運(yùn)用在 3D 打印里 , 新材料所也就自然而然地走到 3D 打印這個(gè)領(lǐng)域 , 金屬 3D 打印出的假牙、人工關(guān)節(jié)等醫(yī)療用品和模具已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用環(huán)節(jié)。

科技的發(fā)展 , 離不開科研人員的付出 , 更離不開科研體制的支撐。談到目前的科研體制 , 代明江有很多感觸 , 他認(rèn)為 , 科研誠(chéng)信制度的建立迫在眉睫 , 要減少項(xiàng)目檢查 , 讓科研人員把更多的時(shí)間、精力投入到科研工作里。國(guó)家目前也在推進(jìn) , 原來財(cái)務(wù)檢查一撥人 , 結(jié)題的技術(shù)檢查又是另一撥人 , 現(xiàn)在都要合并 , 小的項(xiàng)目也不用中期檢查了 , 只要最后結(jié)題時(shí)檢查一次。特別是 2015 年以來 , 廣東省委省政府重組廣東省科學(xué)院 , 在新的廣東省科學(xué)院支持領(lǐng)導(dǎo)下 , 新材料所取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

科技和市場(chǎng)完美結(jié)合

科技和市場(chǎng)并不是平行線 , 它們只有完美地接軌了 , 才能為社會(huì)創(chuàng)造最大的價(jià)值。

代明江介紹 , 新材料所從事一部分的應(yīng)用基礎(chǔ)研究 , 有很明確的應(yīng)用對(duì)象 , 也把技術(shù)和研究的成果轉(zhuǎn)化成工業(yè)化的技術(shù)和產(chǎn)品 , 這些年來轉(zhuǎn)化得比較成功的行業(yè)除了航空 , 還有汽車、包裝印刷行業(yè)。

在能源領(lǐng)域 , 新材料所也在發(fā)力。" 我們把核聚變反應(yīng)堆叫小太陽(yáng) , 預(yù)計(jì) 50 年之后 , 我們就不用電站了 , 一個(gè)城市有一個(gè)核聚變反應(yīng)堆就夠了。而新材料所需要為小太陽(yáng)開發(fā)具有高熱導(dǎo)的金屬銅涂層。" 何謂 " 小太陽(yáng) "? 代明江形容了一個(gè)充滿科幻色彩的場(chǎng)景 : 那是一個(gè)核心溫度高達(dá)上億攝氏度的反應(yīng)堆 , 由于目前還沒有任何材料能 " 包裹 " 住這個(gè) " 小太陽(yáng) ", 只能以磁力讓其懸浮在真空 , 然后當(dāng)它邊際溫度降到數(shù)千攝氏度時(shí) , 再用一種材料把它 " 包 " 住。這種材料 , 既要耐溫——目前最耐熱的材料當(dāng)屬鎢 , 又要能導(dǎo)熱——所以選擇了銅 , 由鎢和銅合力 , 讓 " 小太陽(yáng) " 既能安全地發(fā)光發(fā)熱 , 又能迅速把它的熱能導(dǎo)出來為人類所用。

此外 , 新材料所還研究、開發(fā)了獨(dú)特的涂層預(yù)處理 ( 表面精密毛化預(yù)處理技術(shù) ) 及后加工技術(shù) , 現(xiàn)場(chǎng)制作出了大面積、高精度和高可靠性的涂層 , 成功解決了大亞灣核電站九十萬(wàn)千瓦汽輪機(jī)氣缸高壓蒸氣漏氣的難題 , 保證了安全生產(chǎn)和提高了工效 , 每年直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá) 2000 多萬(wàn)元 , 實(shí)現(xiàn)了核電關(guān)鍵裝備的國(guó)內(nèi)修復(fù)的突破 , 性能優(yōu)于國(guó)外同行。這項(xiàng)技術(shù)已在廣東、廣西、江西各大電廠推廣使用。

而針對(duì)全球最大的國(guó)際合作項(xiàng)目 " 國(guó)際核聚變反應(yīng)堆 " ( ITER ) 提供了絕緣涂層技術(shù) , 建立了相應(yīng)的涂層質(zhì)量體系 , 正在實(shí)施將絕緣涂層技術(shù)應(yīng)用于該反應(yīng)堆的十多種關(guān)鍵部件中。

統(tǒng)籌 : 新快報(bào) 張英姿 肖 萍

采寫 : 新快報(bào)記者 吳曉嫻

攝影 : 新快報(bào)記者 孫 毅

轉(zhuǎn)載自《廣東新快網(wǎng)》

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