零維納米材料綜述?　　長沙微納坤宸新材料有限公司，下面我們就來聊聊關于零維納米材料綜述?接下來我們就一起去了解一下吧!

零維納米材料綜述

　　長沙微納坤宸新材料有限公司

一、前言

　　難熔金屬鎢、钼擁有高密度、高熔點等特殊性能，在新型飛行器、戰略 / 戰術導彈、原子能、微電子信息等國防軍工和國民經濟諸多領域有着不可替代的作用，是一種極為重要的戰略物資。然而，現有的難熔金屬受傳統粉末冶金方法和成分體系的限制，其性能受到很大限制，無法滿足尖端技術領域高強韌、高均質、高溫抗燒蝕、抗高熱沖擊等要求，從而成為制約高新技術領域發展的突出瓶頸。針對這些重大難題，中南大學範景蓮教授在國内外首次提出“納米 / 微納複合設計”制備難熔金屬基複合材料，開辟了“納米 / 微納複合設計難熔金屬基複合材料”新領域，取得系列重大突破，并實現工程産業化，在國家重點型号和重大工程實現應用，産生了顯著的社會效益和經濟效益。

二、奇思妙想，實現新型難熔金屬技術重大突破

　　科技創新的根本在于原始創新，把不可能變成可能。作者團隊在難熔金屬領域打破傳統思維限制，提出“納米原位複合”“微納複合”思想理念制備難熔金屬基複合材料，實現難熔金屬材料性能重大突破，達到國内外領先水平。

　　（一）原創提出“納米原位複合”，發明新型細晶高性能鎢基複合材料

　　鎢基複合材料具有高密度、高強韌等特性，是國防軍工和諸多領域的關鍵材料，我國鎢材一直采用傳統粉末燒結方法制備，其性能已無法滿足發展需求。傳統 W-Cu（鎢銅）不相溶和 W-Ni-Fe（鎢鎳鐵）混合不均，導緻晶粒粗大、緻密度低和性能低等缺陷，難以滿足尖端技術發展要求。範景蓮教授 1996 年在國際上首創提出“納米原位複合”設計思想，發明金屬鹽溶液混合 - 快速噴霧幹燥技術，化學溶膠方法使 W 與合金元素（Cu、Ni-Fe、Ni-Cu）達到原子、分子水平混合和超均勻分布。

　 曆時 19 年，上千次失敗，突破了傳統 W、Cu 不相溶和 W 滲 Cu 理論禁锢與技術缺陷，解決了現有 W-Ni-Fe（Cu）材料強韌性低、晶粒粗大、組織不均勻的問題，發明了超細 / 納米鎢基複合粉末及細晶鎢基複合材料制備技術，開發出系列高性能細晶鎢基複合材料，與傳統鎢基複合材料相比，性能大幅度提高。如：W-Cu（鎢銅）延伸率提高 13 倍以上，形成良好的破甲射流，使用效果顯著提高；W-Ni-Fe 強度提高 30%，延伸率提高 2 倍；W-Ni-Cu（鎢鎳銅）高均質 / 超高精度控制，解決了現有材料因材質不均而導緻控制精度差的問題。材料性能遠超過國内現有和國外先進同類材料，達到國内領先、國際先進水平。建立了“納米原位複合”細晶鎢基複合材料相關理論模型；“納米複合”細晶高性能鎢基複合材料技術獲國家發明專利 17項、獲得 2015 年國家技術發明二等獎。

（二）原創提出“微納複合 - 氧化抑制”，發明超高溫輕質難熔金屬基複合材料

新型超高速飛行器研制是目前世界各空天強國重點探索的領域，代表了國際空天技術發展的重大方向。新型飛行器在近地空間以高馬赫數長時間飛行，與空氣産生劇烈的摩擦和沖擊，其前端關鍵結構部件表面産生 2000~3000℃高溫，承受強表面氧化和高過載沖擊。這對熱端構件提出了極為苛刻的使用要求，要求具有優異的高溫強韌、長時間抗氧化與輕量化等綜合性能，是國際公認的最突出技術難題。現有高溫材料因高溫強度低、抗氧化燒蝕差或密度高等不足而無法應用，成為飛行器研制的關鍵技術瓶頸。

　　針對這一重大需求，範景蓮教授在“納米原位複合”基礎上，于 2005 年創新提出“微納複合”設計思想，采用超高溫陶瓷相微納複合增強難熔金屬，綜合難熔金屬的高溫強韌和超高溫陶瓷的耐高溫和輕量化的優勢，并采用微納複合技術解決兩者界面不相容問題，實現難熔金屬和超高溫陶瓷的完美融合。在此基礎上，2010年進一步提出“氧化抑制”設計思想制備難熔金屬表面原位自生長超高溫熱防護塗層。13 年間，經過無數次通宵實驗，最終發明一種新型超高溫輕質難熔金屬基複合材料，實現了高溫強韌、長時間抗氧化燒蝕和輕量化于一體的重大突破：其 1600℃抗拉強度 250~300 MPa。相比現有超高溫材料，其高溫強度提高 4~5 倍、密度減重一半。應用于高超聲速飛行器，在高馬赫數、強氧化極端嚴酷環境長時間考核下實現近零燒蝕，解決了新型飛行器熱承載部件關鍵技術，填補世界空白，達到國際領先水平，為我國超高速飛行器前緣熱端部件研制提供高溫材料保障，成為最關鍵高溫材料。同時拓展應用于航空航天和兵器高性能新型發動機動力系統，滿足了發動機在大推力、高動壓、耐 3000℃以上的強抗沖刷、抗沖擊和抗燒蝕性能要求，成為多項國家重大高新工程的定型産品。

（三）提出“納米 / 微納複合 - 梯度擴散連接”，發明核聚變堆抗高熱負荷沖擊細晶鎢偏濾器材料

　　核聚變被認為是人類未來理想的能源途徑，全鎢偏濾器是未來熱核聚變堆最關鍵高溫部件，其研制很大程度上決定了熱核聚變堆的成功與否。瞄準未來熱核聚變堆 ITER“國際大科學工程”和我國未來熱核聚變堆“CFETR”用全鎢偏濾器技術瓶頸，提出“納米 / 微納複合增強與連接”制備細晶全鎢偏濾器材料部件設計思想與實施方案，與現國際最先進商業鎢相比，抗熱沖擊性提高 50%，連接強度提高 2 倍，使中國鎢材料達到國際前沿水平。國際核聚變權威機構法國原子能和替代能源委員會（CEA）評價“為全鎢偏濾器提供全新技術途徑”，将我國鎢研究引入國際最前沿系列。　

三、止于“形”起于“行”，攻堅克難，将新思想變成現實

　　（一）止于“形”起于“行”

　　科技創新的重要因素是執行力：止于“形”（即形式），起于“行”（行動）。“納米 / 微納複合設計”制備難熔金屬基複合材料的研制經曆了以下曆程。

　　（1）确定設計思路。針對鎢基複合材料和輕質超高溫難熔金屬基複合材料，分别設計提出了“納米原位複合”和“微納複合”的原創性設計思想，以期通過液态方法實現各元素成分原子、分子級分布，達到良好界面相容強化。

　　（2）設計技術路線。針對“納米原位複合”設計思想，設計了“溶膠 - 噴霧幹燥”的技術路線；針對“微納複合”，設計了“溶膠 - 非均相沉澱 - 噴霧幹燥”的技術路線。

　　（3）進行方案論證、實施與手段驗證，具體通過性能、組織研究分析、機理分析與研究，最終通過材料考核驗證。檢驗材料性能是否達到預期要求，反饋進行技術路線、方案及實施手段修正，使材料性能達到預期目标，并最終走向應用。　

（二）堅持，失敗是成功之母

　　實驗過程中經曆無數次探索失敗，關鍵是要在失敗中尋找經驗教訓，使科學研究呈螺旋式的上升，從而達到最終的研究目的。

　　首先，進行第一輪實驗并重複，獲得初步數據；對所獲得的數據進行分析，找出問題所在。然後，再次實驗并重複，進一步豐富數據，提升思維和認知。最後，依次反複循環、驗證分析，最終實現目标。“納米原位複合”鎢基複合材料，從 1996 年設計思想提出，到 2015 年獲得最終材料，并獲得國家技術發明二等獎，前後曆時近 20 年，經曆上千次失敗；“微納複合”輕質難熔金屬基複合材料，從 2005 年提出，到 2018 年初具規模和成效，前後曆時13 年，經曆無數次通宵實驗。科技創新無捷徑可走，堅持是唯一的途徑。　

四、成果走出實驗室，實現工程化産業化應用

　　為了讓科技成果走出實驗室、走向應用，對接國家國防和重大工程和重點型号的需要，範景蓮教授在甯鄉高新區的大力支持下，組織團隊于 2014 年 11 月在長沙甯鄉成立長沙微納坤宸新材料有限公司，形成了由博士、碩士、高新技術人員組成的工程研發和産業化團隊，經過幾年的發展，開發出超高溫輕質難熔金屬基複合材料、細晶高性能鎢基複合材料、核聚變堆抗高熱負荷沖擊鎢偏濾器材料等系列新型難熔金屬基複合材料制備技術，形成了系列材料技術、成分體系與産品，産品應用于我國新型飛行器、戰略 / 戰術導彈、火箭發動機、核能、微電子信息等國防軍工和國民經濟各領域。

　　（一）納米複合鎢基複合材料“納米複合”細晶高性能鎢基複合材料技術獲國家發明專利 17 項、獲得 2015 年國家技術發明二等獎。該技術在微納坤宸新材料有限公司實現工程轉化，形成年産30~50 噸的生産能力，開發出 30 餘種品種和規格的高性能鎢基複合材料産品，廣泛應用于航空航天、國防、核能、新能源、微電子信息等領域，實現在多種戰術 / 戰略導彈上的産品定型和穩定供貨，并成為唯一供應商。

　　（二）微納複合輕質難熔金屬基複合材料微納複合輕質難熔金屬基複合材料應用于高超聲速飛行器，在高馬赫數、強氧化極端嚴酷環境長時間考核下實現近零燒蝕，解決了新型飛行器熱承載部件關鍵技術瓶頸，填補世界空白，達到國際領先水平，為我國超高速飛行器前緣熱端部件研制提供高溫材料保障，成為最關鍵高溫材料。此外，将微納複合輕質難熔金屬基複合材料技術向航空、新型發動機領域拓展，取得了顯著的社會經濟效益，極大推動了我國高新工程和重大武器型号的發展。例如，将微納複合輕質難熔金屬基複合材料技術拓展開發了彈射座椅火箭發動機複合噴管，應用于最新一代戰機，實現了“藍天生命之舟”的高可靠性，使我國彈射座椅達到世界領先水平。至今，長沙微納坤宸新材料有限公司累計為中航工業航宇救生裝備有限公司提供複合噴管近 6000 套，用于地面考核和飛行驗證考核，圓滿完成了研制目标，2017 年實現在“殲 20”定型應用，目前已建立了 5000 套 / 年穩定供貨關系，并正在向系列戰機上進行推廣。

　　此外，将微納複合輕質難熔金屬基複合材料技術拓展應用于空空 / 空地導彈、反坦克導彈的系列新型固體火箭發動機，開發了 HCM 噴管、調節閥、喉襯、燃氣舵等火箭發動機高溫部件，滿足了發動機在大推力、高動壓、耐 3000℃以上的抗強沖刷、抗強沖擊和抗燒蝕性能要求，成為多項國家重大高新工程的定型産品，為兵器 203 所某型号導彈配套生産建立了 10000 套 / 年穩定供貨關系。

　　經過近 15 年的材料研發和工程化試制，建立了系列具有自主知識産權的超高溫輕質難熔金屬材料體系和制備技術，形成了 8 項工程産業化标準，獲 35 項國防 /國家發明專利。為 10 多種型号提供超高溫材料産品，成為航天三院、中航工業航宇救生、中國兵器 203 所等唯一供應商，形成了年産 50~80 噸的生産規模。随着新型武器型号的發展，超高溫輕質難熔金屬材料在新型空天飛行器（系列超高聲速武器、超高聲速飛機等）、新型發動機（火箭發動機、超燃沖壓發動機、航空發動機）中使用，未來需求量每年以指數次方增長，具有極為廣闊的發展前景。

五、國家發展戰略，體制、機制的重要性

　　納米 / 微納複合難熔金屬基複合材料能夠研發成功，并得到迅速産業化發展，除了研發團隊自身的艱苦奮鬥、夜以繼日不懈努力，國家發展戰略、各級政府機構體制、機制方面的支持也發揮了必不可少的重要作用。納米 / 微納複合難熔金屬基複合材料的發展，正值我國大力發展航空航天和國防裝備等尖端科技，可以說是國家戰略發展路線為新型納米 / 微納複合難熔金屬基複合材料的破繭而出提供了沃土。材料研發依托于中南大學寬松的科研氛圍、悠久的難熔金屬研究曆史及優良的科研基礎設施，為新材料設計思想的萌芽、新材料的研究發展提供了良好的條件。

　　為了讓“納米原位複合 / 微納複合”的技術原型能進行工程化轉化，長沙微納坤宸新材料有限公司于 2014 年成立。在實現材料的工程産業化過程中，突破體制的限制，得到各級政府和相關管理部門的政策扶持，特别是甯鄉高新區從政策、土地、廠房及資金上給予積極支持，并為中南大學超高溫難熔金屬材料工程化研制提供基地。湖南省經信委、長沙市經信委對公司的發展也給予了政策和經費上的傾斜支持。

六、結束語

　　該研究項目經過二十多年，從理念的提出到材料的研制與工程化，已基本形成了細晶鎢基複合材料、輕質超高溫難熔複合材料和抗高熱負荷細晶鎢材料等三大材料體系。這些材料已應用于我國航空航天、新能源、微電子信息等尖端技術領域。科技創新，材料先行。材料是科技發展的基礎，原始創新是科技創新的關鍵因素，人才隊伍、環境、體制機制是創新成功的必備條件。

*本文内容摘自《領跑Ⅱ——十四五展望：國家級戰略性新興産業集群典型做法與新技術新産品産業化案例彙編》，不構成購買或投資建議。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!