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曾推动镁合金研究走向世界前列,近期又发力高端制造检测设备替代
2023-06-22 04:27:25 DeepTech深科技

“自改革开放以来,中国产业的发展从向下拓展,正在逐步朝着向上溯源的方向迈进。”中国工程院院士、轻合金精密成型国家工程研究中心主任、上海交通大学氢科学中心主任丁文江表示。

图丨丁文江(来源:资料图)

1953 年,丁文江出生于上海市。后来,他来到上海交通大学铸造工艺与装备专业学习,并于 1981 年毕业后留校工作。


(资料图片仅供参考)

在科研脚步刚刚开始之际,丁文江专注于铝材料领域,并以非热处理强化铝合金为研究重点。1983 年,基于一次偶然的契机,他转入对镁材料的研究,并在该领域披荆斩棘了长达四十年。他的科研经历和转化落地的一系列探索,在某种程度上也与他提出的“向上溯源、自立自强”的发展理念相符。

聚焦镁合金材料四十载,多次取得突破性成果

每一个学过化学的人,都应该知道镁这种金属元素。它占据着元素周期表上第 12 号排位,它既是于自然界广泛分布、且属于人体必需元素的一种,又是常见的一类密度小、化学活性大的轻金属。

但在实际生活中,普通人似乎只能通过两种方式直接知道镁这种元素。其一是节日之际燃放的焰火,就是通过镁燃烧后会发出刺眼光芒的原理制成的,如果在其中添加不同的氧化物,便可呈现出丰富的色彩。其二是早期照相时使用的镁光灯,也是通过燃烧镁粉放出强光实现的。

于丁文江而言,他和镁的结识有些与众不同。

1983 年,中国刚刚引进桑塔纳轿车。在推进国产桑塔纳下线的过程中,上海第一汽车附件厂发生了一次燃烧事件。当时相关负责人以为是铝发生了燃烧,便邀请从事铝研究的丁文江前来一探究竟,但经过确认才发现,是桑塔纳上的两个镁合金零件,即变速箱的壳体和壳盖,发生了燃烧。

这次经历,让丁文江开始对镁材料产生兴趣。

1987 年,他参与到桑塔纳轿车镁合金变速箱的国产化科研工作中。

“当时,中国正值改革开放,几乎所有产业领域都在引进国外生产线,包括钢铁、洗衣机、电视机、冰箱等。我们科技人员的主要职责,就是把引进来的产品进行国产化。”丁文江表示。

在他们投身于镁合金材料的制备时,发现其中存在一个很大的问题。

一般来说,所有的金属材料都是先熔化,再燃烧,也就是熔点低于燃点。但镁材料却刚好相反,因为其燃点低于熔点,所以往往还没熔化,就会与氧气发生反应并燃烧。

可是,在制造任何产品之前,都需要先经过熔化材料这个环节。因此,镁的这种特性,给产品生产带来了极大阻碍。

虽然他们使用各种手段,来为镁材料提供保护,但这种方式也增加了生产的难度,并提高了成本。

为了攻克这个问题,丁文江开始研究镁发生燃烧的原因。

和铝一样,镁和氧的亲和力也非常大。不过,铝和氧可以通过反应生成三氧化二铝,后者能够阻止铝继续被氧化。而镁的氧化膜是疏松的,就像鱼鳞一样,存在一片一片的间隙,所以并不能阻止镁的持续氧化。

基于此,丁文江和团队通过改造镁的氧化物结构,即使用掺杂稀土元素的氧化膜,让其和镁的氧化膜实现互补,进而开发了阻燃镁合金,成功地将镁的燃点从 520℃ 提升到 935℃,远远高于镁的熔点(651℃)。基于该项成果,他们获得了国家科学技术进步奖。

除了燃点较低外,镁还存在另外一个弱点,那就是强度不够高,而这会给大规模应用带来难题。

对此,他们在高强度镁合金方面进行探索,最终将镁合金的强度提高到 500 兆帕,使用温度提高到 300℃。

将镁和氢成功地联系到一起,开拓出镁基能源材料的研究方向,则是丁文江的又一项重要研究。

在推进新能源发展和绿色低碳转型的过程中,排在元素周期表第一位的化学元素氢,扮演着关键角色。虽然氢是绿色清洁能源,但其要想实现规模化应用,却并非轻而易举。

这是因为,氢通常以由双原子分子组成的氢气形态存在,在常温常压的状态下,极易发生燃烧和爆炸,非常不利于储存和运输。即使是采用目前常用的高压气态储氢和低温液态储氢等储氢方式,也需要耗费巨大成本。

为了破解这个难题,丁文江团队花了很长时间探索和尝试。最终,他们决定将镁和氢直接结合,从而制备出含有镁氢元素的合金材料,让氢能够借助常温低压条件下固态储存的方式,很好地“留存”在镁基材料中。

经过测试,他们发现采用固态储氢方式,可以实现每立方米 110 公斤氢气的储存。这一数据远远超过用高压气态和低温液态方式储存的氢气量,后两者分别为每立方米储氢 14.4 公斤和 70 公斤。据了解,去年 12 月,他们已经设计出可以储存 1.5 吨氢气的世界首台标准化镁基固态储氢车。

据悉,这种固态储氢方式,既能够适应大规模、长距离的氢运输,又有利于储存多余的能源,可广泛应用于储能、交通运输、热电联供等领域。

联合创立高端制造设备公司,助推技术自立自强

“中国改革开放的前三十年里,在跟踪、模仿、引进、消化、吸收和竞争上,花了很大的力气。我把这个发展现状做了一个总结,叫向下拓展。桑塔纳的引进和国产化,便可看作是其中的一个缩影。十八大以来,我国进一步加强了对科技创新的重视。如今二十大又将科技发展提到了一个更高的程度,即加快推进自立自强。因此我认为,未来我国科技一定会以向上溯源为发展方向。”丁文江表示。

迎着这个发展趋势,丁文江联合中国科学院院士张泽,以及其他经验丰富的工程技术专家,共同创办了无锡亘芯悦科技有限公司,并由丁文江院士担任公司的首席科学家。

据介绍,这是一家高端制造设备公司,主要聚焦于量测与检测设备的研发和生产,应用于半导体等高端制造业。

图丨坐落于无锡新吴区微纳园的亘芯悦(来源:资料图)

在该公司名称的背后,隐含着哪些立意呢?

据丁文江介绍,亘芯悦所专注的业务,是芯片生产过程中必不可少的一个环节,会对中国芯片产业链的发展起到良好的补充作用。

因此,“亘”是亘古不变的意思,表达公司坚持立足长远的发展使命;“悦”则取高兴之意,希望既能够让芯片感到高兴,又能够让做芯片行业的人感到高兴,意在开发高质量的检测设备。

图丨公司图(来源:资料图)

那么,该公司的初衷与使命,又将以怎样的发展策略来践行呢?

丁文江表示:“我们主要从完成进口替代和实现存量选优这两个策略出发。”

对于进口替代,他介绍了公司正在开展的其中两方面工作。

一方面,是实现检测设备中腔体材料的更新换代。

在检测设备中,有一个用于提供真空环境的腔体。它的精度和稳定性,对于设备性能来说至关重要。

芯片制程正在朝着越来越小的方向发展,制造设备的腔体减震上必须得到充分保证。尽管机械减震是通常采用的方法,丁文江团队研究发现,材料也可以在减震方面发挥很大作用。他们正在尝试使用镁材料,来制造原来基于铝材料制成的腔体。

“一旦成功,我们就逐步达到了更新换代,进而实现了一个细分领域的自立自强。”丁文江说。

图丨公司图(来源:资料图)

另一方面,是实现电子枪材料的更新换代。

电子枪是电子光学领域的一个核心零部件,其主要功能在于发射电子、控制电子流、聚焦电子束等,多用于钨丝灯和显像管中。

目前,所有的电子枪都是基于钨材料,朝着从大到小的方向,通过不断研磨、切削来制备。

在这方面,丁文江团队改换从小到大的制备思路,正在探索使用比钨材料更合适的材料,制备新型电子枪。

这些例子体现了存量选优的策略,也支撑着亘芯悦的发展。简单来说,是用多年积累下来的深厚产业经验作为支撑,在已有产品的基础之上做好成本控制,选择最合适且最有用的那些技术与材料来提高产品的性能指标。

“我们希望公司通过转化这些科研成果,在未来可以达到增量创优的目的。同时,科研成果的高水平工程化,可以将企业带到该领域的领先地位,也是我们科技产业的一个愿景。”丁文江最后表示。

支持:张智

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