2019年1月1日，《新快報》報道了廣東省新材料研究所，現將全文轉載如下：

兩千年前就存在的“表面”技術，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、冷噴涂等多項重點技術亮相第二十屆深圳高交會。

編者按時鐘走到了 2019 年。這是全面建成小康社會關鍵之年 , 也是新中國成立 70 周年。

70 年間 , 科學家們在實驗室里皓首窮經、焚膏繼晷地研究時 , 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被他們改變。

科技與應用 , 從來不是天上與人間那么遠。

在這一組專題里 , 我們準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驗室、研究所以及高新科技企業 , 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代明江特意從手機里翻出兩張照片 :" 這是我去參觀西漢南越王墓時拍下的兩張圖片。" 圖片中是展出的兩尊西漢時期的銅制器皿 , 一個腐蝕得很厲害 , 已經露出斑駁的銅綠 , 另一個卻锃亮發光 , 表面似乎完好無損。

" 為什么會這樣 ? 其實就是因為工匠在這一尊器皿上使用了表面技術。兩千年前的中國人 , 算得上是我們研究表面材料技術的祖師爺。" 原來 , 在器皿上運用了鎏金工藝 , 涂上薄薄一層黃金 , 就能讓它無懼千年風霜 , 永錫難老。

這是見面初始 , 所長代明江就對新快報記者講的一則逸事。

作為廣東省科學院骨干研究所之一 , 廣東省新材料研究所主要從事現代材料表面工程技術的研究開發。材料表面科學技術被認為是世界十大關鍵技術之一 , 在現代尖端技術中得到了廣泛的應用。

飛機要上天 , 潛艇要入海。

要更輕便 , 要更堅固 , 要防水防風 , 要抗腐蝕 , 要耐高溫 ……

這些需求 , 通俗概括了表面材料科學這些年來在中國工程院院士周克崧帶領下攻克的一個又一個的課題。

" 不然怎么說‘一代材料 一代裝備’ ? 沒有材料科學的進步 , 就沒有這些裝備的進步。" 代明江一談起自己的專業領域 , 便興奮起來。

誕生不久擔重任 介入航空領域心臟

航空發動機被稱作 " 工業皇冠上的明珠 ", 制造業做到航空發動機這一級 , 基本就是登峰造極了。

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

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 , 海軍某部請材料研究室幫忙做螺旋槳的涂層——當時海軍有一種潛艇 , 需要噴涂上防海水氣泡腐蝕的材料 , 這一技術由新材料研究室攻克了。于是他們沉淀下了做熱噴涂技術的基礎和設備。從上世紀 80 年代開始 , 新材料研究室進入航空發動機涂層的領域 , 而這源于一個偶然的契機。

當時國家引進了國外某型號直升機的全套技術 , 但外國人只有一個技術不給中國 , 就是發動機渦輪葉片的抗高溫氧化涂層技術。" 我們需要生產該型號直升機時 , 就把生產好的葉片送到國外 , 由國外公司進行噴涂后再送回國內。這就受制于人了 , 你生產多少、能不能如期交付 , 都得看別人的進度。" 代明江說。

恰好當時中國工程院院士周克崧在國家的支持下開始研究高溫氧化涂層技術 , 他那時還不知道這項技術可以在哪里應用 , 就在全國調研 , 最終發現新材料室有生產涂層的設備 , 便來到這做研發 , 一步步介入航空領域的心臟——發動機。

" 發動機有 2000 多個零部件 , 工藝精湛 , 條件苛刻。傳統材料的壽命、性能在這種苛刻環境下不能起作用。例如現在 , 對發動機葉片耐受的溫度要求達到了頂級的 1800 ℃ , ( 達不到這個要求的話 ) 這些材料就軟化了 , 強度不夠了。" 代明江說 , 表面材料技術就是給發動機穿上一層盔甲 , 使其更加耐高溫。可以說 , 沒有涂層 , 發動機就用不了。

一切須根據航空部門提供的嚴格技術要求進行 , 例如均勻性、結合強度、匹配性等 , 而這是一個很復雜的過程。

葉片首先要經歷幾個清洗過程 , 包括用酒精或丙酮、超聲波振動、高溫清理雜質 , 之后再進行表面粗化 , 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。

當時這是國內唯一一套生產葉片涂層的套設備 , 完全是從 0 到 1 的過程 , 其中的難度可想而知。但周克崧院士帶領團隊硬是啃下了這塊 " 硬骨頭 "," 最難的是成品率 , 葉片形狀很復雜 , 要涂得很均勻 , 飛機葉片高速旋轉的時候 , 如果重量不均勻 , 就會甩、會震動 , 所以重量要控制。當時第一次做的成品率不到 51%, 浪費很大 "。

要讓工藝更穩定 , 重復性更好 , 涂的時候就要更精確。機器手的運行軌跡 , 裝卡的卡具都很有講究。一個接一個的流水線作業 , 每一個動作都要標準 , 通過轉接的精確性來保證成品率。他們在實踐中琢磨研究 , 逐漸縮小參數范圍 , 隨著參數越來越精確 , 機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 ,1993 年進入周克崧院士團隊的代明江見證了這一時期 , 而現在基本上一次成功率可以到 99% 以上。

代明江覺得 , 兩千年前的中國人 , 算得上是研究表面材料技術的祖師爺。

圖為新華社播發的江西景德鎮陶瓷 3D 打印成品。 廣東省新材料研究所已進入金屬 3D 打印領域。

固體潤滑、3D 打印 …… 不斷占領科技制高點。

近年來 , 圍繞廣東省戰略性新興產業、重點傳統產業和高端裝備制造業及國家重大工程對材料性能不斷提升的要求 , 新材料所在航空航天、海 洋工程、先進制造、軌道交通等領域 , 開展并形成了以熱噴涂技術、真空鍍膜技術、激光制造技術和表面分析檢測技術為特色的四大研究專長和技術優勢 , 不斷搶占科技制高點。

熱噴涂、真空鍍膜 …… 說起來似乎專業難懂 , 但其實 , 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技術是固體潤滑的涂層 , 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硬的物質 , 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構 , 做出了類金剛石。

金剛石的結構很規整。類金剛石則是無定型的。雖然硬度比金剛石差一點 , 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 , 工業制造里也有了幾乎一樣堅硬耐磨的 " 鉆石替代品 "。

比如用在紡織梭、模具、活塞環中 , 就利用了其耐磨的特性。以往 , 在工業生產中 , 機器要減少摩擦力一般用潤滑油來解決 , 但有的地方不允許用油 , 而且油會揮發 , 也不穩定。因為碳元素摩擦系數小 , 阻力小 , 由碳元素組成的類金剛石就派上了用場 , 而且它是固體的 , 不會揮發 , 應用性更強 , 比如用在汽車發動機活塞環、易拉罐模具等需要潤滑、耐磨的地方 , 立時就能延長使用壽命、提高效能。

激光制造技術也是新材料所的強項之一。在表面技術中 , 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。后來激光技術被運用在 3D 打印里 , 新材料所也就自然而然地走到 3D 打印這個領域 , 金屬 3D 打印出的假牙、人工關節等醫療用品和模具已經進入應用環節。

科技的發展 , 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 , 他認為 , 科研誠信制度的建立迫在眉睫 , 要減少項目檢查 , 讓科研人員把更多的時間、精力投入到科研工作里。國家目前也在推進 , 原來財務檢查一撥人 , 結題的技術檢查又是另一撥人 , 現在都要合并 , 小的項目也不用中期檢查了 , 只要最后結題時檢查一次。特別是 2015 年以來 , 廣東省委省政府重組廣東省科學院 , 在新的廣東省科學院支持領導下 , 新材料所取得了長足的進步。

科技和市場完美結合

科技和市場并不是平行線 , 它們只有完美地接軌了 , 才能為社會創造最大的價值。

代明江介紹 , 新材料所從事一部分的應用基礎研究 , 有很明確的應用對象 , 也把技術和研究的成果轉化成工業化的技術和產品 , 這些年來轉化得比較成功的行業除了航空 , 還有汽車、包裝印刷行業。

在能源領域 , 新材料所也在發力。" 我們把核聚變反應堆叫小太陽 , 預計 50 年之后 , 我們就不用電站了 , 一個城市有一個核聚變反應堆就夠了。而新材料所需要為小太陽開發具有高熱導的金屬銅涂層。" 何謂 " 小太陽 "? 代明江形容了一個充滿科幻色彩的場景 : 那是一個核心溫度高達上億攝氏度的反應堆 , 由于目前還沒有任何材料能 " 包裹 " 住這個 " 小太陽 ", 只能以磁力讓其懸浮在真空 , 然后當它邊際溫度降到數千攝氏度時 , 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屬鎢 , 又要能導熱——所以選擇了銅 , 由鎢和銅合力 , 讓 " 小太陽 " 既能安全地發光發熱 , 又能迅速把它的熱能導出來為人類所用。

此外 , 新材料所還研究、開發了獨特的涂層預處理 ( 表面精密毛化預處理技術 ) 及后加工技術 , 現場制作出了大面積、高精度和高可靠性的涂層 , 成功解決了大亞灣核電站九十萬千瓦汽輪機氣缸高壓蒸氣漏氣的難題 , 保證了安全生產和提高了工效 , 每年直接經濟效益達 2000 多萬元 , 實現了核電關鍵裝備的國內修復的突破 , 性能優于國外同行。這項技術已在廣東、廣西、江西各大電廠推廣使用。

而針對全球最大的國際合作項目 " 國際核聚變反應堆 " ( ITER ) 提供了絕緣涂層技術 , 建立了相應的涂層質量體系 , 正在實施將絕緣涂層技術應用于該反應堆的十多種關鍵部件中。

統籌 : 新快報 張英姿 肖 萍

采寫 : 新快報記者 吳曉嫻

攝影 : 新快報記者 孫 毅

轉載自《廣東新快網》

原文鏈接：http://epaper.xkb.com.cn/view/1128116