《干勇:期待相城打造区域新材料“硅谷”》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-07-13
  • 从研制成功国内首台半工业化和工业试验薄板坯连铸机组、到开展国家科技创新2030重大项目“重点新材料研发及应用”编制工作……作为我国一流材料专家,中国工程院院士干勇在材料研究领域坚守了30多年,身先士卒,为我国钢铁行业不断做大做强呕心沥血,并率领团队展开我国新材料的前瞻性战略研究。


    当前,新一轮科技革命和产业变革不断深入,为新材料的大发展提供了历史机遇,也对我国新材料产业发展提出了更高要求。长三角地区是我国先进材料产业的集聚区,也是先进材料应用的集聚区,同时在先进材料领域拥有丰富的创新资源,身为长三角先进材料研究院首任院长,干勇希望研究院所在地——相城区以长三角先进材料研究院为核心,打造一个区域性的新材料“硅谷”。


    “钢铁冶金是我的本行”


    1965年,干勇以优异的成绩考入东北工学院(现东北大学)热能工程专业,在那里完成了本科的学习。1979年考取上海工业大学(现上海大学)炼钢专业攻读硕士,期间在导师徐匡迪院士的指导下开展科研工作。1983年干勇考入冶金工业部钢铁研究总院钢铁冶金专业继续攻读博士,1987年成为当时国内第一批钢铁冶金专业毕业的博士生。


    1988年,干勇进入冶金部钢铁研究总院,从事钢铁冶金领域研究,开启“科研筑梦祖国腾飞”之路。三十多年以来,一直从事冶金、新材料及现代钢铁流程技术研究,他笑称:“钢铁冶金是我的本行。”


    八十年代初,干勇开始长达近二十年的高效连铸技术的研究,研制成功国内首台半工业化和工业试验薄板坯连铸机组,在椭圆双曲面结晶器理论设计、水口及保护渣方面对薄板坯连铸技术发展作出了创新性贡献。主持了高效连铸关键装备及系统技术的开发,形成具有自主产权的高效连铸软硬件配套工程技术,推广了以独特的连续锥度结晶器、板簧导向振动、连续矫直为核心的方坯高效连铸技术。


    干勇介绍,连铸技术实际上是优化炼钢的整体流程,它的发展使钢厂生产流程向连续、高效、紧凑的方向优化,“中国二十多年来钢产量的持续高速增长,连铸设备和工艺技术的完善和发展在其中起到了关键性的作用。”凭借在“中宽度薄板坯连铸技术”和“高效方坯连铸技术”上的研究突破,1996年、1999年,干勇先后两次获得国家科技进步二等奖。


    多年来,干勇还获得省部级科技进步一等奖5项,获准专利24项,其中发明专利15项,发表论文140余篇。荣获国家级有突出贡献中青年专家、国家“八五”科技攻关计划“全国先进工作者”和国家“九五”科技攻关计划“全国突出贡献者”等称号。


    硕果累累的背后,是干勇带领团队一万多个日夜的坚守与忙碌。现年73岁的干勇在材料科研征程上步履不停,他的时间安排依旧没有变化,甚至更忙碌一些。这两年,他每年会做上百场的新材料发展主旨报告,一年中三分之一的时间都在全国各地,航空里程平均每年达二、三十万公里。长三角地区是干勇的主战场,为政府和产业主管部门讲解国家战略、为国家重大工程集聚高端人才组建团队、为龙头企业技术突破研究创新研发方案、牵头“江苏省先进材料产业发展战略”研究等等,干勇无一不亲力亲为。


    “新材料是制造业的‘底盘技术’”


    当前,我国进入高质量发展阶段,制造业成为国民经济的主战场。在干勇看来,新材料是制造业的“底盘技术”,支撑制造业迈向高质量发展。


    “我国西气东输工程、探月工程等重大工程都离不开新一代材料或者先进材料的支撑。新材料是支撑战略性新兴产业和重大工程不可或缺的物质基础,所谓一代材料,一代技术,一代工程。”

    随着以新一代信息技术、新能源、智能制造等为代表的新兴产业快速发展,特别是今年中央提出加快新型基础设施建设,未来对新材料的需求巨大。但在干勇看来,虽然近年来我国新材料产业发展迅猛,但依然存在支撑保障能力较弱、引领发展能力不足等问题,“材料强国”之路任重道远。


    干勇举例,我国发展新一代信息技术产业,需要大量的新型信息技术的高端材料,“我们调查了解到2030年,大尺寸的硅片每年需求达40亿平方英寸,第三代半导体等先进半导体抛光光片需求达7.5亿片,三代半导体的材料外延芯片又需要将近6亿平方英寸,但这些高端和大规格的新材料主要依赖进口。这迫切需要增强新材料产业的支撑保障能力、科技创新能力,形成良好的产业发展生态。”


    2017年2月28日,国家新材料产业发展专家咨询委员会成立,干勇任专家咨询委员会主任,两年多来,他召集国内各个领域的材料专家,制定各个领域的材料发展方案,开展新材料战略研究。领衔开展国家科技创新2030重大项目“重点新材料研发及应用”编制工作,在全国各地协助成立了一系列新材料评价平台、数据平台、资源平台、设施平台和研发生产应用平台。


    “让我国在新材料核心技术上掌握‘卡脖子’技术,这是我们身为科研人员的使命。”干勇说。


    “期待相城打造区域新材料‘硅谷’”


    长三角地区是我国最大最强的先进材料产业基地,对先进材料产业的需求旺盛,形成了集群化发展的态势。


    长三角先进材料研究院与江苏先进材料技术创新中心进行一体化运营,选址于相城区打造的重要研发载体——长三角国际研发社区启动区,该启动区规划建筑面积34万方,其中8万平方米作为长三角先进材料研究院固定场所。


    长三角地区有基础、有责任和担当来完成中高端技术和中高端材料应用全面突破的历史性任务。干勇这么说,也是这么做的。他带领团队认真研讨,科学确定发展战略和建设目标,围绕公共服务平台建设、高水平团队构建、重点创新研发方向和任务、需突破的关键“卡脖子”技术等制订了实施规划,并聘请组建了相应的院士咨询顾问团队;提出要在中短期之内形成基础建设能力,做出全国领先的成果,目标成为国家级技术创新中心。


    目前,在干勇领导下研究院建设全面展开,分析测试平台一期建设完成,已投入运行;先进材料工业大数据平台已启动建设;全尺度材料表征技术、单晶高温合金、变形高温合金已进入应用技术研发;先进辊压成型和喷射成形技术已进入产业化应用成套技术突破阶段。


    研究院将通过三年左右时间的建设,

    在全球范围吸纳聚集一批发挥塔尖效应的科技人才,形成2000人以上的研发队伍和产业人才;

    参与一批材料研发主导型企业的技术创新活动,攻克一批材料产业前沿和共性关键技术;

    推动先进材料的多个领域形成发展潜力大、带动作用强的创新型产业集群,成为满足新材料产业重大创新需求、具有国际影响力和竞争力的技术创新中心。


    近年来,相城区将先进材料作为重点打造的六大未来产业之一,已快速集聚相关企业170家。对于下一步发展干勇寄予厚望,他建议相城应系统梳理国家关键材料需求进行补链、固链、强链打造先进材料产业集群以长三角先进材料研究院为核心打造一个区域性的新材料“硅谷”,吸引一批新材料投资集群和研发团队进行结合培育一批在科创板、创业板上市的材料产业。

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还有一些核心技术、工业“四基”和关键装备受制于人,包括产业的体系、算法、设计、代工、生态环境等,已经是核心短板中的重灾区,包括人工智能高端传感智能也垄断在国外的企业手里。我们统计了130多种高端技术材料,32%是空白,特别是信息技术的特种材料。 中国制造10个重点领域里面有7个领域,包括装备、数控机床、机器人航空航天、海洋工程、新能源汽车、电力装备、智能电网等,信息技术和新材料是基础,包括生命科学。现在信息技术和能源技术的发展,新材料的开篇已经有所变化,正在提升,现在提出“超高性能”“超高纯度”,这是新材料发展的特点,要做中长期的打算和战略安排,很多地方是拼命赚钱都赚不到钱,但是也砸,不砸就跟不上。 新材料是国家高端材料的壁垒,垄断性越来越强,日本东丽垄断了碳纤维,美国铝业垄断了飞机使用金属材料80%的专利。 学科的交叉,包括基础学科的突破,使材料有了新的变化,物理深度融合诞生了高温超导材料。 当然中国的材料体系非常完整,我们是大国,将近20多种材料在全世界的数量都是第一,钢铁占了52%,水泥占了56%。 数量和材料的专利的任务也达到了全世界第一。这些过程中,特别是锂电池、新型电池材料等发展很快。半导体照明、高性能钢材料等,我们都有长足的进步。 抢占未来制高点,新材料还在不断涌现,我们不能放过。转方式、调结构,由于重大工程、高端装备的需求,中国必须突破新材料核心技术。 高端新材料是重大工程成功的保障,材料是国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础。 最近正在做2030的重大课题专项,对新材料,中国的任务很重,这是强国的表征。数万台发动机在今后十年当中表现出来。 所有的制造业核心元器件的应用,这些高附加值产品往往都是国外提供,我们做集成、装配、加工中心。材料分成13类。 高端装备特种合金,先进钢铁,还有海洋的深海用材。 我们晚了20年,目前600度超强零件的基础中国改造了3亿多千瓦,占全世界80%以上,非常成功,而且出口占据国际市场的30%左右。 深海油气开采的关键材料,这些核心的高端空白,低端不能用。 高端装备,特别是轴承,包括汽车轴承、高铁轴承、数控机场轴承,几乎全部都是进口,160公里以上的动车组所有的高端轴承全部进口,每年高铁进口8万到9万套轴承。包括汽车自动变速器。 为了适应汽车批量化,中国吉帕级高性能汽车钢板,而且迅速占领了国际国内的大量市场,都是以强化为主,包括淬火配分,对汽车的轻量化起了决定性的作用,性价比非常好。车身制作284公斤,减轻了17%到29%的重量。 所以在与其他钢,其他国内外厂商,206家在应用,累计供货141万吨,占领国内市场超过60%。 高温合金,这是发动机核心材料,我也不谈了。 钛合金、铝合金,这里面已经制定了轻量化的规划包括先进民用飞机、海洋石油工程。 钛合金是非常遗憾的领域,钛合金的性能非常好,海洋、天空、陆地,这是第四代革命性的材料,轻,比强度高。但是长时间来,就在5万吨、7万吨徘徊,去年达到了7.4万吨,而且包括湖南的众多高端钛合金生产装备已经起来,但是很奇怪,钛在地球的储量是铜的80倍,全世界用钛合金在用到20万吨,在地球上什么储量最大,什么东西才便宜,像铁。只有钛储量多,但是价格昂贵。一定有一种低成本的技术没有被突破,现在正在找这种技术。原来使用镁还原得到海盐钛,中国的技术还在继续进行,我们走在前面。 镁合金,有两个问题,腐蚀性、强度,这两个问题都得到解决,丁院士在镁系统合金中采用各种技术,非常好的协同强化效应。包括耐蚀性,现在通过超声阳极氧化法,和镁合金完全一样,我们每年供应95%以上,国内的镁大量的应用,最近应用到20多万吨,每辆汽车上平均应用不到5公斤。所以希望通过一系列技术来减轻重量。 现在飞机上如果用镁合金将是极大的减重,镁合金有一个致命缺点高温自燃,所以波音他们最近签订了协议,美国的FAA计划将于年内取消商业飞机禁镁的禁令。 在高铁、地铁、摩托车、3C产品的应用,包括电池上的应用,镁干电池,海水激活电池,这非常有前景。 镁合金的弹性模量与人的骨头相当,易降解。我们希望10到15年后镁合金汽车行业用到150万吨左右,这是庞大的减重计划和目标,国家的轻合金制造创新中心正在筹备。 2020年要有20万吨左右用到车身板,到2050年大概有30万吨左右用到车身板。 铝加工,大型的铝的挤压件完全国产化,而且都是由很多民营集团来实现的。 新一代飞机大型整体式的结构件。高性能陶瓷与玻璃这里面对陶瓷材料不讲了。范景莲教授做了很多工作,最近2个陶瓷材料的院士,很厉害。 2020年需求预测,能量转化1.5万吨。新型高分子材料,民用交通和医疗卫生用聚烯烃材料,食品安全用钛系催化环保型聚酯。 高性能纤维与复合材料,碳纤维符合材料一定是各种交通工具应用的材料主体。国产化碳纤维低成本化,特别是汽车领域的应用,最近看到宁波所,他们在碳纤维汽车上面的应用做了大量的工作,中车也在大型的高铁上采用车体材料碳纤维的实验,将会为我们大规模的发展。 稀土新材料,资源第一、产量第一,是重要的战略优势资源,5月20号习总书记视察了基地,使用了4公斤的稀土,猛禽战斗机实现了超音速巡航功能。惯性导航的系统材料。 卫星、飞船的姿态控制、轨道调控都是材料的应用。先进战机多用发动机,包括机器人、数控机床。 包括了催化材料、高性能的稀土永磁材料用于全车数十个电机和传感系统,特别是磁动力系统。 现在在城际列车上大量应用,千瓦的电机已经出来节能18%到30%左右。 下一步创新点,是磁在新能源汽车里面得到大量的应用。 磁的创新点在哪里?磁动力体系上,永磁调速之后,中间可以是柔性连接,这样没有摩擦、没有接触、没有润滑。永磁轴承有悬浮轴承,应用转子动力学、机械学、电工电子学,无噪音、噪音小、耗能低。潜艇的隐身能力大大加强。 永磁制动,应用在电梯安全永磁制动系统、汽车永磁缓速器、轨道交通永磁制动器。 永磁齿轮、变速已经完全不用齿轮摩擦了。 所以永磁的产业非常大,我认为应该发展起来,磁产业应用方向,涉及战略性达9个门类。 混合动力技术可用于氢燃料汽车,这是非常好的方案。 每辆混合动力汽车要超过10公斤,价格很低,这非常有用。 包括催化剂,催化剂材料给我们压力很大,基础研究不足,国六突围,必须在轻稀土上打一个漂亮仗,在北京催化剂的研究院。 新型显示材料,主要是激光显示材料。 第三代半导体材料,支撑绿色、智能、泛在技术,满足国防安全、信息安全、智能制造、节能减排。第三代半导体的需求将会上来。美国2030年的用电,他与2018年相比,发电量降低11%。 新能源汽车发展趋势,美国DOE规划2020年到2025年,效率、密度、成本必须要达到新的高度,效率、电控达到98%,密度100千瓦每升,成本2.7每千瓦每美元。 所以第三代半导体优势就出来了,相比SI,有3倍的热导率,有3倍带宽度,10倍击穿场强,高电流密度、高开关速度高温,低导通电阻,冷却系统简化,更高效率。体积可以减少到三分之一到五分之一。系统的物料成本大幅度的下降。 电动汽车用功率半导体模块的占比,到2023年要达到50%。车联网和能源互联网是相通的,有巨大的结合作用,对国内碳化硅的发展历程,国家材料委员会和重大专项的编制组做了新的安排,所以电力电子技术启动,碳化硅6英寸产品成熟,国际有一些差距,但是我们的水平正在提升,包括株洲团队,他们在高铁的IPTV上做的很漂亮,在6寸的碳化硅上做了很多工作,20多家汽车厂商已经在车载充电机中使用碳化硅。主要用于电能转换、电机驱动、充放电、电源变换三大产品领域,这是我们的方向。 绿色能源,2020年锂离子动力电池单体的比能量达到300万。新型锂离子电池,国家成立了锂电电池的创新中心,现在是在高容量三元材料大量应用,硅碳符合材料必须上来,可能突破350瓦时的能量,最后是全部钛电池已经接近成熟。探索富锂锰基固态电池,锂硫电池。 新能源汽车发展将推动全球能源资源需求发展重大变化。 全球新能源汽车产业已进入快速发展期,2035年中国新能源汽车产量将占汽车总产量60%。 全球新能源汽车产业进入高速发展阶段,2018-2035年,中国汽车产量将从2781万辆快速增至4600万辆,新能源汽车产量将从127万辆快速增至1700万辆。到2020年,新能源汽车产量将达到200万辆,新能源汽车的发展将使全球石油消费的顶点和提前到来,中国少用2亿吨石油,因为用电代替的石油,中国的电是用煤,所以是煤电转换比,威胁美国的石油体系,甚至影响俄罗斯、中东地区的经济发展,进而影响全球能源格局,这是新能源汽车带来的冲击,如果2035年达到这样的产能,中国石油消费顶点提前到来,拉动铝、铜消费的需求,将使铜需求量从8万吨增长180万吨。 锂、钴搭起了煤炭和石油转换的桥梁,是国家能源安全的重要组成部分。而且全球资源分布集中,国际市场垄断程度很高,所以我们要小心,垄断程度高于石油,现在到各个地方可以买到石油,但是钴、锂垄断性还是很厉害的,所以要培养世界级大新新能源汽车企业,实现汽车产业弯道超车。积极寻求境外石油合作开发,提高多元化供应水平,这里面潜力巨大。 我在每一次会议上都补充新能源电池,从氢还还原氧化铁,二氧化碳减到零,二次能源成本偏高,高碳向低碳发展这是必然的,在韩国召开的世界气侯大会委员会上,1888年到2018年,地球的维度提升了0.86度,这温度的提升,看气侯的变化非常奇特,非常恶劣的天气不断出现。所以到本世纪末,如果温度提高2度,最多1.5度,这是什么概念,10年之内要出现一圈北极冰没有了,2050年二氧化碳排放要大幅度减少,全球进入氢能时代,占能源比重的18%,所以氢时代的到来,固体能源到液体能源到气体能源的转换,从不可持续到可持续,从集中式到分布式,从多碳到无碳。减排60亿吨的温室气体。 氢能未来,抓住当下的机遇,他认为聚焦四个机会,充分利用现有的工业港口,将其转变为低成本、低碳、氢能的枢纽,支持运输车队、货运通道使产生更大的竞争力,柴改氢。国外氢能的发展我不说了,氢能作为极具发展潜力的二次能源,具备转换灵活、容易获取等特征,国际能源署和全球氢能委员会均发布的路线图和相关文件。 包括各国的氢能发展,2018到2050,我就不细说了,美国到3个30万辆,在路上跑的氢燃的汽车,现在现在只说到2030,100到150万辆。 如果作为基础设施部分,2030年到100万辆,大概是5000多座,每年需要大概400万吨所有的氢能利用。日本到2025年到3个30万台新燃料电池。 国内已经形成6个集群,完整的产业链正在形成。 京津冀、华东、东南、华北,动作非常快,因为各省的资源禀赋不一样,要因地制宜。为什么山东这么积极全省做规划,有两横两纵的交通线的氢走廊,化工大省,是因为氢气产能庞大,巨型车企引领,山东重工目前投500个亿建立氢能的平台。 山西每年6亿吨煤输出来,他准备将1亿吨煤变成氢气输到周边的省市。 四川,建设全国优质清洁能源。 海南,2030年不准燃油车进入海南,对氢能的发展已经全面的规划,内蒙也是,煤气也是丰富的。在氢的利用上,我认为是在中型卡车、大巴的应用,乘用车的布局非常困难,首先是要补贴下去。中国燃料电池汽车和氢能的现状,41家整车企业,56款燃料电池汽车车型,25家燃料电池系统公司。 港口的重型机械,也可以利用,重卡、柴油这是一个方向,集中布局氢燃料电池,全国汽车保有量,柴油车占了9.6%,但氮氧化物占了78%。 我们统计了每个港口的出货量,按每车运输30吨,柴油量巨大,氢气每个月120万吨,大量的减排。 唐山是非常好的例子,1.3亿吨的钢铁产能的物流巨大,首先用煤气来布局加氢站,所以国际商已经开始重卡了。 燃料电池现状不说了,最后主要是区域性的大格局,氢能的运输重要,管道运输的成本非常便宜,如果使用车,每年运输的成本24亿,材料方面不再说了,这也是材料大的产业,包括聚合物的气瓶。 国家目标的发展,CCM的纳米、微米复合材料的使用。 中国制造业与国外制造强国相比,新能源汽车,国际领先5类,通信设备、先进轨道交通装备、输变电装备、纺织、家电。 我的发言就到这里,谢谢大家。
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    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-04-27
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