零维纳米材料综述（从奇思妙想到工程产业化应用）

　　长沙微纳坤宸新材料有限公司，下面我们就来聊聊关于零维纳米材料综述?接下来我们就一起去了解一下吧!

零维纳米材料综述

　　长沙微纳坤宸新材料有限公司

一、前言

　　难熔金属钨、钼拥有高密度、高熔点等特殊性能，在新型飞行器、战略 / 战术导弹、原子能、微电子信息等国防军工和国民经济诸多领域有着不可替代的作用，是一种极为重要的战略物资。然而，现有的难熔金属受传统粉末冶金方法和成分体系的限制，其性能受到很大限制，无法满足尖端技术领域高强韧、高均质、高温抗烧蚀、抗高热冲击等要求，从而成为制约高新技术领域发展的突出瓶颈。针对这些重大难题，中南大学范景莲教授在国内外首次提出“纳米 / 微纳复合设计”制备难熔金属基复合材料，开辟了“纳米 / 微纳复合设计难熔金属基复合材料”新领域，取得系列重大突破，并实现工程产业化，在国家重点型号和重大工程实现应用，产生了显著的社会效益和经济效益。

二、奇思妙想，实现新型难熔金属技术重大突破

　　科技创新的根本在于原始创新，把不可能变成可能。作者团队在难熔金属领域打破传统思维限制，提出“纳米原位复合”“微纳复合”思想理念制备难熔金属基复合材料，实现难熔金属材料性能重大突破，达到国内外领先水平。

　　（一）原创提出“纳米原位复合”，发明新型细晶高性能钨基复合材料

　　钨基复合材料具有高密度、高强韧等特性，是国防军工和诸多领域的关键材料，我国钨材一直采用传统粉末烧结方法制备，其性能已无法满足发展需求。传统 W-Cu（钨铜）不相溶和 W-Ni-Fe（钨镍铁）混合不均，导致晶粒粗大、致密度低和性能低等缺陷，难以满足尖端技术发展要求。范景莲教授 1996 年在国际上首创提出“纳米原位复合”设计思想，发明金属盐溶液混合 - 快速喷雾干燥技术，化学溶胶方法使 W 与合金元素（Cu、Ni-Fe、Ni-Cu）达到原子、分子水平混合和超均匀分布。

　 历时 19 年，上千次失败，突破了传统 W、Cu 不相溶和 W 渗 Cu 理论禁锢与技术缺陷，解决了现有 W-Ni-Fe（Cu）材料强韧性低、晶粒粗大、组织不均匀的问题，发明了超细 / 纳米钨基复合粉末及细晶钨基复合材料制备技术，开发出系列高性能细晶钨基复合材料，与传统钨基复合材料相比，性能大幅度提高。如：W-Cu（钨铜）延伸率提高 13 倍以上，形成良好的破甲射流，使用效果显著提高；W-Ni-Fe 强度提高 30%，延伸率提高 2 倍；W-Ni-Cu（钨镍铜）高均质 / 超高精度控制，解决了现有材料因材质不均而导致控制精度差的问题。材料性能远超过国内现有和国外先进同类材料，达到国内领先、国际先进水平。建立了“纳米原位复合”细晶钨基复合材料相关理论模型；“纳米复合”细晶高性能钨基复合材料技术获国家发明专利 17项、获得 2015 年国家技术发明二等奖。

（二）原创提出“微纳复合 - 氧化抑制”，发明超高温轻质难熔金属基复合材料

新型超高速飞行器研制是目前世界各空天强国重点探索的领域，代表了国际空天技术发展的重大方向。新型飞行器在近地空间以高马赫数长时间飞行，与空气产生剧烈的摩擦和冲击，其前端关键结构部件表面产生 2000~3000℃高温，承受强表面氧化和高过载冲击。这对热端构件提出了极为苛刻的使用要求，要求具有优异的高温强韧、长时间抗氧化与轻量化等综合性能，是国际公认的最突出技术难题。现有高温材料因高温强度低、抗氧化烧蚀差或密度高等不足而无法应用，成为飞行器研制的关键技术瓶颈。

　　针对这一重大需求，范景莲教授在“纳米原位复合”基础上，于 2005 年创新提出“微纳复合”设计思想，采用超高温陶瓷相微纳复合增强难熔金属，综合难熔金属的高温强韧和超高温陶瓷的耐高温和轻量化的优势，并采用微纳复合技术解决两者界面不相容问题，实现难熔金属和超高温陶瓷的完美融合。在此基础上，2010年进一步提出“氧化抑制”设计思想制备难熔金属表面原位自生长超高温热防护涂层。13 年间，经过无数次通宵实验，最终发明一种新型超高温轻质难熔金属基复合材料，实现了高温强韧、长时间抗氧化烧蚀和轻量化于一体的重大突破：其 1600℃抗拉强度 250~300 MPa。相比现有超高温材料，其高温强度提高 4~5 倍、密度减重一半。应用于高超声速飞行器，在高马赫数、强氧化极端严酷环境长时间考核下实现近零烧蚀，解决了新型飞行器热承载部件关键技术，填补世界空白，达到国际领先水平，为我国超高速飞行器前缘热端部件研制提供高温材料保障，成为最关键高温材料。同时拓展应用于航空航天和兵器高性能新型发动机动力系统，满足了发动机在大推力、高动压、耐 3000℃以上的强抗冲刷、抗冲击和抗烧蚀性能要求，成为多项国家重大高新工程的定型产品。

（三）提出“纳米 / 微纳复合 - 梯度扩散连接”，发明核聚变堆抗高热负荷冲击细晶钨偏滤器材料

　　核聚变被认为是人类未来理想的能源途径，全钨偏滤器是未来热核聚变堆最关键高温部件，其研制很大程度上决定了热核聚变堆的成功与否。瞄准未来热核聚变堆 ITER“国际大科学工程”和我国未来热核聚变堆“CFETR”用全钨偏滤器技术瓶颈，提出“纳米 / 微纳复合增强与连接”制备细晶全钨偏滤器材料部件设计思想与实施方案，与现国际最先进商业钨相比，抗热冲击性提高 50%，连接强度提高 2 倍，使中国钨材料达到国际前沿水平。国际核聚变权威机构法国原子能和替代能源委员会（CEA）评价“为全钨偏滤器提供全新技术途径”，将我国钨研究引入国际最前沿系列。　

三、止于“形”起于“行”，攻坚克难，将新思想变成现实

　　（一）止于“形”起于“行”

　　科技创新的重要因素是执行力：止于“形”（即形式），起于“行”（行动）。“纳米 / 微纳复合设计”制备难熔金属基复合材料的研制经历了以下历程。

　　（1）确定设计思路。针对钨基复合材料和轻质超高温难熔金属基复合材料，分别设计提出了“纳米原位复合”和“微纳复合”的原创性设计思想，以期通过液态方法实现各元素成分原子、分子级分布，达到良好界面相容强化。

　　（2）设计技术路线。针对“纳米原位复合”设计思想，设计了“溶胶 - 喷雾干燥”的技术路线；针对“微纳复合”，设计了“溶胶 - 非均相沉淀 - 喷雾干燥”的技术路线。

　　（3）进行方案论证、实施与手段验证，具体通过性能、组织研究分析、机理分析与研究，最终通过材料考核验证。检验材料性能是否达到预期要求，反馈进行技术路线、方案及实施手段修正，使材料性能达到预期目标，并最终走向应用。　

（二）坚持，失败是成功之母

　　实验过程中经历无数次探索失败，关键是要在失败中寻找经验教训，使科学研究呈螺旋式的上升，从而达到最终的研究目的。

　　首先，进行第一轮实验并重复，获得初步数据；对所获得的数据进行分析，找出问题所在。然后，再次实验并重复，进一步丰富数据，提升思维和认知。最后，依次反复循环、验证分析，最终实现目标。“纳米原位复合”钨基复合材料，从 1996 年设计思想提出，到 2015 年获得最终材料，并获得国家技术发明二等奖，前后历时近 20 年，经历上千次失败；“微纳复合”轻质难熔金属基复合材料，从 2005 年提出，到 2018 年初具规模和成效，前后历时13 年，经历无数次通宵实验。科技创新无捷径可走，坚持是唯一的途径。　

四、成果走出实验室，实现工程化产业化应用

　　为了让科技成果走出实验室、走向应用，对接国家国防和重大工程和重点型号的需要，范景莲教授在宁乡高新区的大力支持下，组织团队于 2014 年 11 月在长沙宁乡成立长沙微纳坤宸新材料有限公司，形成了由博士、硕士、高新技术人员组成的工程研发和产业化团队，经过几年的发展，开发出超高温轻质难熔金属基复合材料、细晶高性能钨基复合材料、核聚变堆抗高热负荷冲击钨偏滤器材料等系列新型难熔金属基复合材料制备技术，形成了系列材料技术、成分体系与产品，产品应用于我国新型飞行器、战略 / 战术导弹、火箭发动机、核能、微电子信息等国防军工和国民经济各领域。

　　（一）纳米复合钨基复合材料“纳米复合”细晶高性能钨基复合材料技术获国家发明专利 17 项、获得 2015 年国家技术发明二等奖。该技术在微纳坤宸新材料有限公司实现工程转化，形成年产30~50 吨的生产能力，开发出 30 余种品种和规格的高性能钨基复合材料产品，广泛应用于航空航天、国防、核能、新能源、微电子信息等领域，实现在多种战术 / 战略导弹上的产品定型和稳定供货，并成为唯一供应商。

　　（二）微纳复合轻质难熔金属基复合材料微纳复合轻质难熔金属基复合材料应用于高超声速飞行器，在高马赫数、强氧化极端严酷环境长时间考核下实现近零烧蚀，解决了新型飞行器热承载部件关键技术瓶颈，填补世界空白，达到国际领先水平，为我国超高速飞行器前缘热端部件研制提供高温材料保障，成为最关键高温材料。此外，将微纳复合轻质难熔金属基复合材料技术向航空、新型发动机领域拓展，取得了显著的社会经济效益，极大推动了我国高新工程和重大武器型号的发展。例如，将微纳复合轻质难熔金属基复合材料技术拓展开发了弹射座椅火箭发动机复合喷管，应用于最新一代战机，实现了“蓝天生命之舟”的高可靠性，使我国弹射座椅达到世界领先水平。至今，长沙微纳坤宸新材料有限公司累计为中航工业航宇救生装备有限公司提供复合喷管近 6000 套，用于地面考核和飞行验证考核，圆满完成了研制目标，2017 年实现在“歼 20”定型应用，目前已建立了 5000 套 / 年稳定供货关系，并正在向系列战机上进行推广。

　　此外，将微纳复合轻质难熔金属基复合材料技术拓展应用于空空 / 空地导弹、反坦克导弹的系列新型固体火箭发动机，开发了 HCM 喷管、调节阀、喉衬、燃气舵等火箭发动机高温部件，满足了发动机在大推力、高动压、耐 3000℃以上的抗强冲刷、抗强冲击和抗烧蚀性能要求，成为多项国家重大高新工程的定型产品，为兵器 203 所某型号导弹配套生产建立了 10000 套 / 年稳定供货关系。

　　经过近 15 年的材料研发和工程化试制，建立了系列具有自主知识产权的超高温轻质难熔金属材料体系和制备技术，形成了 8 项工程产业化标准，获 35 项国防 /国家发明专利。为 10 多种型号提供超高温材料产品，成为航天三院、中航工业航宇救生、中国兵器 203 所等唯一供应商，形成了年产 50~80 吨的生产规模。随着新型武器型号的发展，超高温轻质难熔金属材料在新型空天飞行器（系列超高声速武器、超高声速飞机等）、新型发动机（火箭发动机、超燃冲压发动机、航空发动机）中使用，未来需求量每年以指数次方增长，具有极为广阔的发展前景。

五、国家发展战略，体制、机制的重要性

　　纳米 / 微纳复合难熔金属基复合材料能够研发成功，并得到迅速产业化发展，除了研发团队自身的艰苦奋斗、夜以继日不懈努力，国家发展战略、各级政府机构体制、机制方面的支持也发挥了必不可少的重要作用。纳米 / 微纳复合难熔金属基复合材料的发展，正值我国大力发展航空航天和国防装备等尖端科技，可以说是国家战略发展路线为新型纳米 / 微纳复合难熔金属基复合材料的破茧而出提供了沃土。材料研发依托于中南大学宽松的科研氛围、悠久的难熔金属研究历史及优良的科研基础设施，为新材料设计思想的萌芽、新材料的研究发展提供了良好的条件。

　　为了让“纳米原位复合 / 微纳复合”的技术原型能进行工程化转化，长沙微纳坤宸新材料有限公司于 2014 年成立。在实现材料的工程产业化过程中，突破体制的限制，得到各级政府和相关管理部门的政策扶持，特别是宁乡高新区从政策、土地、厂房及资金上给予积极支持，并为中南大学超高温难熔金属材料工程化研制提供基地。湖南省经信委、长沙市经信委对公司的发展也给予了政策和经费上的倾斜支持。

六、结束语

　　该研究项目经过二十多年，从理念的提出到材料的研制与工程化，已基本形成了细晶钨基复合材料、轻质超高温难熔复合材料和抗高热负荷细晶钨材料等三大材料体系。这些材料已应用于我国航空航天、新能源、微电子信息等尖端技术领域。科技创新，材料先行。材料是科技发展的基础，原始创新是科技创新的关键因素，人才队伍、环境、体制机制是创新成功的必备条件。

*本文内容摘自《领跑Ⅱ——十四五展望：国家级战略性新兴产业集群典型做法与新技术新产品产业化案例汇编》，不构成购买或投资建议。

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