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深港联手打造“逆天”合金 强度超过现有同类材料10倍

日期:2017-05-11 15:18:49编辑作者:申博太阳城

  ▲深港科学家采用磁控溅射方法制备出的超纳双相镁合金。受访者供图

   图为《自然》杂志的封面,在紫色背景下,是一个利用透射电子显微镜捕捉到的超强镁合金薄膜微观结构。

  超纳双相镁合金结构示意图。

深港联手打造“逆天”合金

每平方毫米可承受超过300公斤压力,强度超过现有同类材料10倍

“这本刊登全球科技领域重大突破的刊物每年出版52期,我们中国人的科研创新成果占据了其中一期的封面故事!”尽管距离最新一期的《自然》杂志纸质版正式出版的时间已经过去了几天,但吕坚和他的创业团队仍然掩不住满脸的自豪和兴奋。

5月4日出版的《自然》纸质版杂志的封面主题是“POWERFUL ALLOY”(“超强合金”),这是一项由香港城市大学副校长、香港城市大学深圳研究院院长、先进结构材料研究中心主任吕坚率领的科研团队取得的科研成果。这也是近年来,中国研究单位在物理、材料科学等领域的成果首次被选为这本权威科学期刊的封面故事。

这项以香港、深圳科研人员为主体完成的世界级新材料创新成果,是我国推进新材料领域科技创新的一个缩影,亦是深圳加快构建国际协同创新平台,集聚全球创新能量过程中绽放的一束科技之光。

5月9日,记者专程走进位于深圳虚拟大学园区的香港城市大学深圳研究院,采访科研团队带头人,了解这项技术破蛹成蝶的过程,探究其应用前景,捕捉其在新材料领域激起的涟漪。

深港科学家科研成果亮相《自然》封面

此前,吕坚的团队一直致力于进行高强高韧结构与功能材料的研究,以突破现有物料的局限。经过五年多的努力,该团队使用特殊的磁控溅射方法,通过调整结构中的晶体状态和非晶体状态的比例,增加材料的强度,成功研制出两相结构单元都小于10纳米的合金膜结构,并将其命名为“超纳双相-玻璃纳米晶”(Supra-nano-dual-phase glass-crystal),其中“超纳”定义为小于10纳米,而玻璃为非晶体状态。

本次重大研究成果得到了国家自然科学基金委重大项目的资助,发表在国际顶尖科学学术期刊《自然》上。

这本1869年在英国创刊的国际权威科学杂志最新一期的封面主角就是拥有超强能力的“POWERFUL ALLOY”。紫色背景下,正是一个利用透射电子显微镜捕捉到的超强镁合金薄膜的微观结构。

文章指出,这是全球首创的合金结构系列,能够为将来发展各种新型超纳米结构及其相关的特异物理及化学特质打开一条新路。它的强度较现有超强镁合金晶体材料高出十倍,每平方毫米可承受超过300公斤压力。同时,它具有超高耐磨性及变形能力,变形能力较镁基金属玻璃提高两倍,并可发展成生物降解植入材料。

“这种新型结构的材料强度,超过了所有已知镁基纳米材料,并接近理论上镁基合金的强度极限。”吕坚说。

新技术有望在3C硬件领域率先试水

资料显示,镁合金材料具有密度低、重量轻、易于加工等特点,一直是材料学的研究热点,并且被广泛应用于移动电话、平板及手提电脑等3C消费电子和汽车、航空等领域。

吕坚介绍说,固态金属在常温下是以金属晶体的相态存在的。同种单质金属或合金比例不变的情况下,构成金属材料的微结构(如晶粒、孪晶等)形态、比例、大小等发生变化,都会显著影响金属材料的性质。

科学家通过电子显微镜技术,发现随着构成金属材料的微结构尺寸不断减小,材料的强度和硬度、韧性等特性会发生变化。当单个晶粒的直径达到100纳米以下时,这些现象变得尤其明显。

“我们研制的是两相结构单元都小于10纳米的合金膜结构,在具有超高强度的同时,变形能力较镁基金属玻璃高两倍。”吕坚说。

此前,科学家一直希望进一步提升镁合金的强度和抗磨损能力,但由于在制备纳米金属晶体时存在一定的缺陷,从而导致整体材料强度很难达到理论值。

吕坚团队在研发过程中,创造性地将纳米级镁-铜合金晶体嵌入到镁-铜-钇合金的非晶态金属外壳,制成了这种超高强度的镁基超纳双相-玻璃纳米晶材料,有效弥补了现有材料的不足。

这种神奇的新型合金结构究竟有怎样的应用前景?

吕坚表示,由于双相超纳材料的两相几何尺寸均小于10纳米,因而具有不同寻常的力学和物理学性能,在超高强度轻质结构的工业应用中存在巨大潜力,比如用于制作航空航天和自动化领域的高强度、轻量化零件。

“这种新型合金结构有望在3C类硬件领域率先得到应用。而且制作这次新材料所采用的磁控溅射方法已十分成熟,可以应用于大规模材料制备。”吕坚认为,珠三角地区3C硬件生产企业众多,产业链完备,能够大大加速这一新材料科研成果的产业化进程。

与此同时,镁基合金在生物医学领域也存在广阔应用前景。吕坚指出,新型合金材料可应用在生物降解植入物料中,病人可因此避免进行第二次手术以取出零件。

此外,新材料还可制成涂层加在人体膝盖、臀部的人工关节上,提高关节的抗磨损和抗腐蚀能力,更可减低患者对人工关节金属敏感的风险。

深港创新圈合作频结硕果

“尤其令人自豪的是,这属于一项全部由中国人完成,并且获得国际认可的自主科研创新。做出这项新突破的研究团队所有成员均来自香港城市大学及深圳研究院,除了我之外,还包括博士后研究员吴戈博士、助理科学主任陈稼祥博士、研究员兼浙江大学副教授朱林利博士、高级副研究员孙李刚博士等。”

吕坚本身就是一个深港创新合作的活例子。1978年,17岁的吕坚以优异的成绩考入北京大学化学系。之后他获国家奖学金公派,赴法国贡比涅技术大学留学,1986年获得博士学位。2005年,在法国留学和工作了二十多年的吕坚出任香港理工大学机械工程系系主任兼讲座教授,2010年被香港城市大学聘为科学及工程学院院长。2011年,吕坚获选为法国国家技术科学院院士,成为该院300位院士中首位法籍华人院士。2013年,吕坚被任命为香港城市大学副校长、香港城市大学深圳研究院院长,成为深港两地在物理、材料科学领域的创新领头羊之一。

谈及自己深耕多年的新材料产业,吕坚指出,当前发达国家为重塑制造业优势,纷纷以新材料为突破口,出台了一系列政策,支持新材料研发和产业化应用。中国也将新材料产业列为重点发展对象,工信部、发改委、科技部、财政部联合制定的《新材料产业发展指南》中提出,到2020年,关键战略材料综合保障能力超过70%,新材料创新能力不断提高,产业体系初步完善。这都为新材料产业发展营造了良好的政策环境。

2001年成立的香港城市大学深圳研究院是广东省第一批新型研发机构,也是粤港澳大湾区内开展科学研究、技术研发、成果转化、创新创业与孵化育成的重要载体。其下设的多个研究中心、国家级科研平台深圳中心、深圳市级重点实验室平台承担了国家863和973计划、自然科学基金重大研究计划、广东省粤港关键联合项目等重大课题400多项,涌现了一批优秀科技成果。

这种深港创新多赢的模式在香港城大深圳研究院的人才培养上亦有所体现。在该院与国内多所高校联合培养的300多名博士研究生中,走出了一批在深圳科技领域长袖善舞的产学研能手。

已经在3D传感领域闯出一番天地的奥比中光公司创始人黄源浩2009年在香港城市大学取得光测力学研究方向的博士学位后,2009年-2010年,又在吕坚教授课题组作为博士后,进行残余应力测量及优化方面的研究。2013年1月,黄源浩将自己在3D传感、自然人机交互领域的研究成果进行产业化,成立了奥比中光公司。如今,该公司已成为继苹果、微软、英特尔后,全球第四家量产3D传感器的公司。

延伸阅读

深圳新材料产业规模将达2300亿

新材料产业是深圳市重点发展的新兴战略性产业之一。此前出台的《深圳市战略性新兴产业发展“十三五”规划》中指出,到2020年,努力构建具有国际竞争力的新材料产业集群,产业规模达到2300亿元。

目前在深圳新材料技术研发和产业应用领域,聚集了一大批市场规模大、技术能力强的创新型企业。光启拥有全球首条实现量产的超材料生产线,并已平稳运行3年;华讯方舟成功研发了世界首块石墨烯太赫兹芯片;华为正研究如何将石墨烯成果应用于消费电子产品;柔宇科技投资超过100亿元的柔宇国际柔性显示基地预计2017年底正式建成投产。柔宇采用这种新型柔性材料生产的全柔性显示屏可应用于消费电子、智能交通、智能家居、运动时尚、建筑装饰等多个行业。

记者5月9日从深圳市统计局获悉,在深圳8000多家国家高新技术企业中,新材料企业有300余家,去年新材料产业增加值373.40亿元,同比增长19.6%,产业规模超过1650亿元。今年一季度,深圳新材料产业实现增加值81.09亿元,增长11.7%,保持了良好的发展态势。

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