憑借著世界第一的高鐵運營里程和速度，中國高鐵的實力得到國際社會的認(rèn)可，已然成為一張亮麗的“中國名片”。

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

城市軌道交通的車輛實現(xiàn)牽引和電制動功能需要依靠牽引電動機。但在21世紀(jì)初期，我國進口一臺牽引電動機需要花費十幾萬美元，而現(xiàn)在通過自主研發(fā)生產(chǎn)，一臺電機的價格僅需十幾萬元人民幣。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)院的研究團隊。作為國內(nèi)有色金屬和冶金工程最強的院校之一，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”上探索出獨特的道路。

“中國制造業(yè)實現(xiàn)‘跟跑’和‘并跑’已經(jīng)很不容易了，如果還要實現(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)用場景提出的對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。”中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長李周教授對新材料在線說道。

01

研發(fā)高性能銅合金引領(lǐng)電機革新

銅材料在中國的發(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代步伐。隨著工業(yè)進步，銅合金的應(yīng)用越來越廣泛，對于國民經(jīng)濟關(guān)聯(lián)度一度達到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)用被國外掣肘。

正如20世紀(jì)90年代末，我國電動機主要依賴進口，技術(shù)的封鎖也讓國內(nèi)生產(chǎn)的銅及銅合金找不到在應(yīng)用和驗證的機會，導(dǎo)致性能普遍較低，都不能用于大功率異步牽引電動機，嚴(yán)重制約我國重大工程實施。因此開發(fā)高強、高導(dǎo)、耐熱的經(jīng)濟實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。新中國成立初期，國家就將武漢大學(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)國內(nèi)最早之一的金屬工藝系，攻克了人造衛(wèi)星、長征系列火箭、神舟、高鐵、大飛機等諸多國家重大科研所需的關(guān)鍵材料。

以國家重大需求為己任，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科研項目：大功率異步牽引電動機轉(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)速較低的電機的導(dǎo)條和端環(huán)。不過，純銅的弊端在于強度較低，同時純銅在高溫下的抗軟化能力低。

作為軌道交通牽引動力的電動機，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，以及對應(yīng)用場景的綜合分析梳理，尹志民、汪明樸教授帶領(lǐng)團隊提出了一種具有較高的機械強度、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，在材料設(shè)計過程中，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)計的過程看似簡單，但實際上需要我們在實驗室里通過無數(shù)次的測試才能達到目的。”

此外，受限于當(dāng)時的制備條件，團隊在制作導(dǎo)條的過程中遇到了一些困難。由于學(xué)校沒有擠壓機，團隊不得不借助湖南漣源的宏源機械廠的擠壓機進行實驗。由于機械廠自身還擁有生產(chǎn)任務(wù)和成本考核壓力，科研團隊經(jīng)常在凌晨1點等待廠家完成生產(chǎn)任務(wù)后才能進行實驗。無數(shù)個日日夜夜，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)團隊最終成功研發(fā)出高性能銅合金并在銅合金研究所實現(xiàn)了中試生產(chǎn)。

2000年，由株洲廠和株洲所聯(lián)合研制出時速200公里的交流機車“藍箭”竣工時，團隊研發(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，也打破了國外的技術(shù)壟斷。我國的電動機也從依賴進口逐步走向自主生產(chǎn)。

此后，高性能銅合金成為我國軌道交通新型動力———大功率異步牽引電動機的關(guān)鍵材料，并成功應(yīng)用于我國廣深高速鐵路、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，有著很長的鴻溝，是幾代人一起攻關(guān)，才把它實現(xiàn)的。”李周教授感慨地說道。

02

從需求出發(fā)，不斷推動高性能銅合金的研究

“實現(xiàn)成果落地，將研究選題與產(chǎn)業(yè)化有機結(jié)合十分關(guān)鍵。從本科生開始，我們就鼓勵學(xué)生進入到科研團隊，展開研究，通過實際的研究打牢基本功；有很多企業(yè)與我們進行合作，幫助企業(yè)攻克技術(shù)難題，并借機建立起對產(chǎn)業(yè)需求的系統(tǒng)認(rèn)知。”李周教授對新材料在線介紹道。

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隊的特點，從需求端出發(fā)，緊密結(jié)合實際應(yīng)用場景進行攻關(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領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但純銅強度較低，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，提高其強度，并開發(fā)出其他功能，一直是李周教授團隊努力的目標(biāo)。

著重于高性能銅合金的設(shè)計、制備加工、相變機理、強化機制、導(dǎo)電機制和應(yīng)力松弛機理等的研究，李周教授所在團隊提出了高強、高彈、高導(dǎo)銅合金的設(shè)計原理和方法，并發(fā)展了高強高導(dǎo)時效強化銅合金、高強高導(dǎo)彌散強化銅合金、高抗應(yīng)力松弛彈性銅合金、抗變色及耐蝕銅合金、超高強耐磨銅合金以及上述高性能銅合金的先進制備技術(shù)。

從實際需求出發(fā)，中南大學(xué)高性能銅合金團隊先后成功研制納米彌散強化銅合金，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)在國內(nèi)大型銅加工企業(yè)實施。

復(fù)合材料在今后高性能銅合金的進步中逐漸占據(jù)重要地位。“復(fù)合材料的獨特之處在于能夠?qū)⒉煌牧系男阅苷系揭粋€體系中，實現(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)是原動力，產(chǎn)學(xué)研的工作必須從基礎(chǔ)研究開始。”

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

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”，它是電動車混動系統(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的動力輸出。

從2004年引進高鐵列車開始，每年中國的高鐵列車都需要進口約十萬個IGBT模塊，價值超過人民幣12億元。

當(dāng)前，該芯片制造用的陶瓷覆銅板就主要依賴進口，因為其在制造過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大等，否則會影響焊接質(zhì)量。

“但如何通過設(shè)計銅合金或者純銅材料，在高溫下讓其晶粒長不大，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晶界遷移的阻礙機制等，“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)一直致力于推動科研成果的落地，材料學(xué)院積極落實學(xué)校的相關(guān)要求部署，堅持“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)費達到3億元。

李周教授介紹，所謂“走出去”，是指主動與各類企業(yè)對接，將學(xué)院老師的研究特點、方向和研究成果進行交流，讓企業(yè)了解學(xué)院的技術(shù)成果、技術(shù)儲備和研究方向等，從而建立起良好的合作關(guān)系。“講出來”則是要求老師積極參學(xué)術(shù)會議的同時，也要積極參加產(chǎn)業(yè)界的會議中，通過分享研究成果和技術(shù)，讓更多人知悉了解學(xué)院的科研實力和科研成果。而“幫上前”則是在解決企業(yè)遇到的問題時，主動提供幫助，通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓、合作開發(fā)等方式，將團隊的技術(shù)切入到企業(yè)中去，從而實現(xiàn)科研成果的有效轉(zhuǎn)化。“通過這些措施，既解決了企業(yè)的問題，又將成果轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品，實現(xiàn)了雙贏。”李周教授表示。