■2018年11月14日,广东省新材料研究所携热喷涂、真空镀膜、激光制造、冷喷涂等多项重点技术亮相第二十届深圳高交会。通讯员供图
编者按
时钟 走到了2019年。这是全面建成小康社会关键之年,也是新中国成立70周年。
70年间,科学家们在实验室里皓首穷经、焚膏继晷地研究时,我们浑然不觉;突然有一天石破天惊一日千里,我们才在蓦然回首中惊叹生活已经被他们改变。
科技与应用,从来不是天上与人间那么远。
在这一组专题里,我们准备带着一身人间烟火味,去探访那些让普通人懵圈的科研实验室、研究所以及高新科技企业,试图从那里掀开未来一角的幕布。
论做表面功夫,还得服两千年前的中国人老祖宗。这可不是一句带贬义的话,广东省新材料研究所所长代明江特意从手机里翻出两张照片:“这是我去参观西汉南越王墓时拍下的两张图片。”图片中是展出的两尊西汉时期的铜制器皿,一个腐蚀得很厉害,已经露出斑驳的铜绿,另一个却锃亮发光,表面似乎完好无损。
“为什么会这样?其实就是因为工匠在这一尊器皿上使用了表面技术。两千年前的中国人,算得上是我们研究表面材料技术的祖师爷。”原来,在器皿上运用了鎏金工艺,涂上薄薄一层黄金,就能让它无惧千年风霜,永锡难老。
这是见面初始,所长代明江就对新快报记者讲的一则逸事。
作为广东省科学院骨干研究所之一,广东省新材料研究所主要从事现代材料表面工程技术的研究开发。材料表面科学技术被认为是世界十大关键技术之一,在现代尖端技术中得到了广泛的应用。
飞机要上天,潜艇要入海。
要更轻便,要更坚固,要防水防风,要抗腐蚀,要耐高温……
这些需求,通俗概括了表面材料科学这些年来在中国工程院院士周克崧带领下攻克的一个又一个的课题。
“不然怎么说‘一代材料 一代装备’?没有材料科学的进步,就没有这些装备的进步。”代明江一谈起自己的专业领域,便兴奋起来。
■统筹:新快报张英姿 肖 萍
■采写:新快报记者 吴晓娴
■摄影:新快报记者 孙 毅
诞生不久担重任 介入航空领域心脏
航空发动机被称作“工业皇冠上的明珠”,制造业做到航空发动机这一级,基本就是登峰造极了。
上世纪70年代,刚刚诞生在
广州长兴路一带的新材料研究室,一成立接手的就是这样的“顶级大单”,也是“顶级大难题”。
故事从四十多年前说起。
新材料研究所的前身广东省有色金属研究院新材料研究室成立于1971年。起初,海军某部请材料研究室帮忙做螺旋桨的涂层——当时海军有一种潜艇,需要喷涂上防海水气泡腐蚀的材料,这一技术由新材料研究室攻克了。于是他们沉淀下了做热喷涂技术的基础和设备。从上世纪80年代开始,新材料研究室进入航空发动机涂层的领域,而这源于一个偶然的契机。
当时国家引进了国外某型号直升机的全套技术,但外国人只有一个技术不给中国,就是发动机涡轮叶片的抗高温氧化涂层技术。“我们需要生产该型号直升机时,就把生产好的叶片送到国外,由国外公司进行喷涂后再送回
国内。这就受制于人了,你生产多少、能不能如期交付,都得看别人的进度。”代明江说。
恰好当时中国工程院院士周克崧在国家的支持下开始研究高温氧化涂层技术,他那时还不知道这项技术可以在哪里应用,就在全国调研,最终发现新材料室有生产涂层的设备,便来到这做研发,一步步介入航空领域的心脏——发动机。
“发动机有2000多个零部件,工艺精湛,条件苛刻。传统材料的寿命、性能在这种苛刻环境下不能起作用。例如现在,对发动机叶片耐受的温度要求达到了顶级的1800℃,(达不到这个要求的话)这些材料就软化了,强度不够了。”代明江说,表面材料技术就是给发动机穿上一层盔甲,使其更加耐高温。可以说,没有涂层,发动机就用不了。
一切须根据航空部门提供的严格技术要求进行,例如均匀性、结合强度、匹配性等,而这是一个很复杂的过程。
叶片首先要经历几个清洗过程,包括用酒精或丙酮、超声波振动、高温清理杂质,之后再进行表面粗化,就像化妆之前上打底霜一样,才能咬合住后面的涂层。接着是将涂层的陶瓷融化后,用非常快的速度打到叶片上去。
当时这是国内唯一一套生产叶片涂层的套设备,完全是从0到1的过程,其中的难度可想而知。但周克崧院士带领团队硬是啃下了这块“硬骨头”,“最难的是成品率,叶片形状很复杂,要涂得很均匀,飞机叶片高速旋转的时候,如果重量不均匀,就会甩、会震动,所以重量要控制。当时第一次做的成品率不到51%,浪费很大”。
要让工艺更稳定,重复性更好,涂的时候就要更精确。机器手的运行轨迹,装卡的卡具都很有讲究。一个接一个的流水线作业,每一个动作都要标准,通过转接的精确性来保证成品率。他们在实践中琢磨研究,逐渐缩小参数范围,随着参数越来越精确,机器也就控制得越来越好。从80年代开始研究,90年代小批量生产,1993年进入周克崧院士团队的代明江见证了这一时期,而现在基本上一次成功率可以到99%以上。
■代明江觉得,两千年前的中国人,算得上是研究表面材料技术的祖师爷。
■图为新华社播发的江西景德镇陶瓷3D打印成品。 广东省新材料研究所已进入金属3D打印领域。
固体润滑、3D打印……不断占领科技制高点
近年来,围绕广东省战略性新兴产业、重点传统产业和高端装备制造业及国家重大工程对材料性能不断提升的要求,新材料所在航空航天、海洋工程、先进制造、轨道交通等领域,开展并形成了以热喷涂技术、真空镀膜技术、激光制造技术和表面分析检测技术为特色的四大研究专长和技术优势,不断抢占科技制高点。
热喷涂、真空镀膜……说起来似乎专业难懂,但其实,所有的“表面功夫”,无非都是给材料们穿上更耐高温、更耐摩擦、更抗腐蚀的外衣,让它们做到以前无法做到的事情。
代明江介绍,其中做得比较早的一个技术是固体润滑的涂层,叫类金刚石(DLC)。金刚石由碳元素组成,是自然界中天然存在的最坚硬的物质,甚至可以用来划玻璃。但一是自然界存量较少,二是很难制备,要在地底下经过高温高压的苛刻条件才能形成。新材料所沿着前人的足迹,做了一件事,改变了碳元素的排列结构,做出了类金刚石。
金刚石的结构很规整。类金刚石则是无定型的。虽然硬度比金刚石差一点,但可以在低温低压里合成。这样一来,不需要采用昂贵的钻石,工业制造里也有了几乎一样坚硬耐磨的“钻石替代品”。
比如用在纺织梭、模具、活塞环中,就利用了其耐磨的特性。以往,在工业生产中,机器要减少摩擦力一般用润滑油来解决,但有的地方不允许用油,而且油会挥发,也不稳定。因为碳元素摩擦系数小,阻力小,由碳元素组成的类金刚石就派上了用场,而且它是固体的,不会挥发,应用性更强,比如用在汽车发动机活塞环、易拉罐模具等需要润滑、耐磨的地方,立时就能延长使用寿命、提高效能。
激光制造技术也是新材料所的强项之一。在表面技术中,需要用到激光能量送粉,粉末融化后就跟表面连在一起了,送粉的过程也是分层的。后来激光技术被运用在3D打印里,新材料所也就自然而然地走到3D打印这个领域,金属3D打印出的假牙、人工关节等医疗用品和模具已经进入应用环节。
科技的发展,离不开科研人员的付出,更离不开科研体制的支撑。谈到目前的科研体制,代明江有很多感触,他认为,科研诚信制度的建立迫在眉睫,要减少项目检查,让科研人员把更多的时间、精力投入到科研工作里。国家目前也在推进,原来财务检查一拨人,结题的技术检查又是另一拨人,现在都要合并,小的项目也不用中期检查了,只要最后结题时检查一次。特别是2015年以来,广东省委省政府重组广东省科学院,在新的广东省科学院支持领导下,新材料所取得了长足的进步。
科技和市场完美结合
科技和市场并不是平行线,它们只有完美地接轨了,才能为社会创造最大的价值。
代明江介绍,新材料所从事一部分的应用基础研究,有很明确的应用对象,也把技术和研究的成果转化成工业化的技术和产品,这些年来转化得比较成功的行业除了航空,还有汽车、包装印刷行业。
在能源领域,新材料所也在发力。“我们把核聚变反应堆叫小太阳,预计 50年之后,我们就不用电站了,一个城市有一个核聚变反应堆就够了。而新材料所需要为小太阳开发具有高热导的金属铜涂层。”何谓“小太阳”?代明江形容了一个充满科幻色彩的场景:那是一个核心温度高达上亿摄氏度的反应堆,由于目前还没有任何材料能“包裹”住这个“小太阳”,只能以磁力让其悬浮在真空,然后当它边际温度降到数千摄氏度时,再用一种材料把它“包”住。这种材料,既要耐温——目前最耐热的材料当属钨,又要能导热——所以选择了铜,由钨和铜合力,让“小太阳”既能安全地发光发热,又能迅速把它的热能导出来为人类所用。
此外,新材料所还研究、开发了独特的涂层预处理(表面精密毛化预处理技术)及后加工技术,现场制作出了大面积、高精度和高可靠性的涂层,成功解决了大亚湾核电站九十万千瓦汽轮机气缸高压蒸气漏气的难题,保证了安全生产和提高了工效,每年直接经济效益达2000多万元,实现了核电关键装备的国内修复的突破,性能优于国外同行。这项技术已在广东、广西、江西各大电厂推广使用。
而针对全球最大的
国际合作项目“
国际核聚变反应堆”(ITER)提供了绝缘涂层技术,建立了相应的涂层质量体系,正在实施将绝缘涂层技术应用于该反应堆的十多种关键部件中。
