支撐國家重大戰略需求的四所重點實驗室：科研實力與所取的成果有多強？
2021-11-09 16:02:34
作者： 材料人 來源： 材料人
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在這個競爭日趨激烈的國際社會，各國都非常重視自身高科技的發展，以便在競爭者處于不敗之地。材料作為一門基礎學科，應用在生活的方方面面，其先進性往往能決定一個時代，例如原始人類使用的是最簡單的石器，春秋戰國的青銅器，現代社會則邁入了鐵器時代，正在向人工智能材料大步邁進。同時各種高科技材料，如制備芯片的單晶硅，石墨烯，C/C復合材料等，都在不斷的推動著社會文明的前進。國內各大高校和科研院所也基本都開設有材料學科，他們都在為國家的材料事業貢獻者自己的力量。對于那些成果和科研實力極為突出的一些高校以及院所，則設置了國家級的重點實驗室，以促進基礎科學與成果轉化的重大突破。這些重點實驗室主要服務于國家重大戰略，支撐著關系國防民生等重大領域的材料研發以及科研任務。在這里，借助材料人這個優秀的平臺，筆者為大家盤點四個國家級別的重點實驗室，它們在我國的材料事業中表現非常亮眼。
沈陽材料科學國家研究中心是我國首批建設的6個國家研究中心之一，是在原沈陽材料科學國家（聯合）實驗室和已形成優勢學科群的基礎上組建，代表著國內材料等領域最為先進的實驗室，所取成果也是可圈可點。研究中心主要針對材料領域核心科學問題和共性關鍵技術問題，開展基礎及應用基礎研究。目前研究中心已成為引領材料基礎科學發展的國家級平臺，形成了顯著的國際學術影響力，一大批材料科學家也紛紛登上國際材料的大舞臺，我們比較熟悉的就有盧柯、成會明院士以及陳星秋，王京陽等研究員，他們的研究不是跟隨國際重大研發領域，而是在引領整個學術界。國家研究中心的任務是促進材料技術進步和材料品質提升，催生材料新技術，滿足國家重大工程和經濟建設可持續發展的需求。同時營造學科交叉融合創新的學術環境，凝聚和培育一批國際一流的材料科學家和專業技術人才。國家研究中心的定位是創建國際一流的綜合性材料基礎研究平臺，并使之成為從事材料科學前沿性學科交叉以及共性關鍵技術研究的國家級科技創新中心、人才培育中心、學科引領中心、科學知識傳播和成果轉移中心，為實施創新驅動發展戰略提供源頭動力并促進我國材料科技和相關產業的跨越發展。國家研究中心的主要研究方向可分為：材料動力學，材料結構與缺陷，納米金屬材料，陶瓷及復合材料，先進碳材料，生物基材料及仿生構筑，功能納米材料以及器件，先進鋼鐵材料，材料設計與計算等10大方向。自2000年以來，國家研究中心獲得國家最高科技獎一次，國家自然科學二等獎兩次，國家科學技術進步二等獎和國防科學二等獎各一次。最為突出的貢獻則在于基礎研究的重大突破，截止目前，盧柯院士團隊已斬獲13篇Science，成會明院士團隊同樣在Nature &Science及其子刊斬獲了高達20多篇高水平論文，張哲峰研究員，馬秀良研究員等同樣將多項研究成果刊表在Nature &Science及其子刊。其余的國際知名期刊，例如，Phys. Rev. Lett、ACS Catalysis、Acta Mater等也刊表了國家研究中心的許多成果，不勝枚舉。在重大原創性成果方面，沈陽材料科學國家研究中心是當之無愧的位列全國第一，催生了很多新技術以及基礎研究的重大突破，是保證國防民生的“國家隊”。北科大一度被認為是材料領域的“航空母艦”，在材料學科的實力可見一斑。無論在基礎研究還是工程應用，北科大一直走在全國高校的前列，尤其在鋼鐵領域。新材料國家重點實驗室于1990年通過國家批準。其定位是立足于金屬材料學科前沿、國民經濟的重大需求，開展以新金屬材料研發和傳統材料升級換代為目的的前沿探索和應用基礎研究。主要的研究內容和方向分為以下5個方面：(1)前沿金屬材料應用基礎研究，主要包括金屬間化合物、非晶/高熵合金、高溫合金等新型金屬結構材料；(2)新型功能材料應用基礎研究，包括電、磁、聲、光、熱等功能材料與器件；(3)先進鋼鐵材料應用基礎研究，包括高性能鋼鐵材料的創新設計、組織-性能關系、綠色制造、服役行為及應用；(4)材料制備新工藝新技術，包括高端關鍵金屬材料制備新原理、新技術、新工藝與裝備研發；(5)材料基因工程技術及應用，構建“理性設計-高效實驗-大數據技術”深度融合的材料研發新模式，形成面向應用的全鏈條創新能力；目前，實驗室呂昭平教授在國際頂刊《Nature》發表了三篇論文，在高熵合金以及超強鋼方面取得了重大突破。另外，呂昭平教師還在2018年度獲得國際自然科學二等獎。在金屬頂刊《Acta Mater》上發表論文50余篇。其余教授，例如張躍，王沿東，謝建新等的成果也在有力推動著國家材料事業的進步。1.3 東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室材料的軋制是提高力學性能與成材的關鍵所在，而在金屬材料的軋制領域，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室在國內具有統治性地位，在國際上也取得了矚目的成績。實驗室主要針對冶金工業發展進程中的核心共性技術問題，開展高質量、低成本綠色軋制技術、重大冶金裝備研發及產業化、高品質鋼鐵及有色金屬材料開發等相關科研工作，為軋制領域技術的創新提供了原創性理論和關鍵技術支持。是世界鋼鐵業中“中國理念”——“綠色制造、制造綠色”的主要倡導者和推動者。目前，國內各大鋼廠，例如鞍鋼，寶鋼，首鋼，河鋼，唐鋼等一批關系國家重大國防，交通運輸以及民生的知名鋼企都與軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室建立了良好的產學研關系，并取得了許多重大突破。從成果轉化的角度來看，軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室具有非常大的優勢。當然，產業化做的很好則在另一個角度意味著高水平論文刊發的不足。到目前為止，實驗室成果開發了具有我國自主識產權的中厚板淬火裝備及工藝技術，在熱軋板帶鋼新一代控軋控冷技術及應用，高品質系列低合金耐磨鋼板，超級鋼等領域的研制開發取得了重大突破。提起西工大，大家想到最多的可能是楊偉，唐長虹，歐陽紹修，陳迎春等一批大國工匠，他們在中國最先進的航空領域為國家的國防和大飛機事業做出了極為突出的貢獻，國內最先進的戰斗機殲20，運20，殲15以及C919大型客機等的研制都離不開他們兢兢業業的付出。在航空領域，西工大這所“名聲不大”的高校絕對是非常耀眼的一顆星。但是，沒有好的材料，再先進的航空設計理念也難以實現。其實，在西工大，還存在一個凝固科學與技術國家重點實驗室，主要服務于航空航天為代表的國防重大材料技術需求，以先進材料及其精確成形為主要技術方向，以科學基礎、技術創新和工程化應用研究綜合集成為主要學術特色。在凝固與相關科學與技術領域代表中國學術水平，在國際凝固及相關領域具有重要影響的科學研究基地、人才培養基地、技術創新基地、學術交流基地和國家公共研究平臺。在所取的重大國家級成果方面，相對于其它院所以及高校，一點也不遜色。自2000年以來，就斬獲了20多項國家三大獎，僅十三五期間，實驗室就獲得了8項國家級獎勵，其中國家科技進步二等獎2項，國家技術發明二等獎5項，國家自然科學二等獎1項。就所取的國家級成果來看， 西工大凝固科學與技術國家重點實驗室走在了全國高校的前列，最近軟科排名榜單中，西工大材料學科更是名列榜首。另外，實驗室在成果轉化方面也取得了重要突破，孵化了很多企業，如鉑力特，鑫垚，超晶等公司，已經成為了地方經濟轉型的中堅力量。雖然在科技攻關和成果轉化取得了矚目成就，但是實驗室在基礎科學的研究方面還需要百尺竿頭，更進一步，畢竟基礎科學是一切技術的根源。“人才是第一資源”，四所實驗室作為材料領域的佼佼者，自然少不了許多“牛人”的支撐。接下來筆者盤點這些院所德高望重的學術前輩以及研究方向。由于篇幅的原因，筆者在這里先簡要介紹四大實驗室的總體師資力量，然后特別介紹能力突出，在國內國際具有重大影響力的材料科學家。沈陽材料科學國家研究中心目前由6位院士領銜，外加劉錦川和呂堅兩位香港科學家。有10位國家杰出青年基金獲得者以及5位國家優秀青年基金獲得者。目前，中心正在抓緊建設中，相信不久的將來，將會有聚集更多的一流材料科學家。盧柯：中國科學院院士，在納米孿晶材料與梯度結構兩大方向上取得了重大原創性成果，引領著國際納米金屬材料發展的大趨勢，源源不斷的衍生出Nature和Science等高水平論文。近兩年來，盧柯院士還在“受限晶體”的研究上取得重要突破，為高溫穩定材料的制備做出貢獻。成會明：中國科學院院士，主要研究方向是碳納米管、石墨烯、儲能材料、光催化半導體材料和高性能石墨材料的制造和應用。提出了浮動催化劑化學氣相沉積、非金屬催化劑化學氣相沉積制備碳納米管等方法，促進了碳納米管的研究與應用；提出了模板導向化學氣相沉積等方法，制備出石墨烯三維網絡結構材料、毫米級單晶石墨烯，發展了石墨烯材料的宏量制備技術；提出了可高效儲能與轉化的層次孔材料設計、電化學電位調控、晶面調控等方法，制備出一系列新型能量轉化與儲存材料；研制出塊體各向同性熱解石墨材料，批量應用于多項重點工程。在國際刊物上發表學術論文650余篇，被引用7.2萬次，H因子118，是科睿唯安公布的化學和材料兩個領域的高引用科學家之一。另外，成會明院士也是名師，目前為止，已經培養出4位國家杰出青年基金獲得者，多位學生在高校或者科研院所任職，可謂桃李滿天下。馬秀良：亞太材料科學院院士，國家杰出青年基金獲得者，主要從事先進功能材料及高性能金屬結構材料中界面和缺陷的原子結構及其與特定性能之間的內在關系的研究。引領電子顯微技術的普及和發展，為材料科學、納米科學、信息科學的研究做出創新性貢獻。師從著名材料科學家、晶體學家、中國電子顯微學主要奠基人之一郭可信院士。在Nature，Science及其子刊上發表論文多篇，解析了許多新相結構，指導出多位優秀研究生。李殿中：國家杰出青年基金獲得者，主要從事大型鑄鍛件鑄造與鍛造過程關鍵技術開發與推廣應用工作。在Nature Communications、 Phys Rev Lett、Acta Mater等頂級期刊上發表論文70余篇。率領團隊解決了大型合金鋼錠及鑄鍛件的制造難題，形成了3項重量級原創成果；1）發現夾雜物是形成A型偏析缺陷的根源，發展了宏觀偏析形成理論，開發多包延遲澆注、多梯度穩態熱冒口及低氧純凈化控制技術；（2）闡明了系列材料中合金相的作用與調控機理，實現馬氏體鋼的強韌性最佳匹配，滿足了三峽水輪機轉輪鑄件綜合性能要求；（3）基于逆向模擬，開發出曲軸彎鍛技術，消除折疊裂紋等缺陷；建立了錐度動態控制模型，開發錐形筒體鍛件一體化成形技術。除了以上四位材料界的大牛之外，沈陽材料科學國家研究中心還匯聚了任文才，劉崗，李峰、王京陽、王福會、張哲峰、盧磊等一大批在國際學術界具有重要影響的人才。北科作為中國材料界的“航空母艦”，新材料國家重點實驗室可謂人才濟濟，群英薈萃，其中包含6位兩院院士，9位國家杰出青年基金獲得者，優青，國家百千萬人才工程，“萬人計劃”等系列人才幾十人。呂昭平：國家杰出青年基金獲得者，長期研究金屬結構材料物理冶金的相關領域，在合金強韌化機制與正確設計方面取得了重大的原創性成果，已在Nature期刊上發表論文3篇。提出了“共格有序強化效應”、“有序-無序耦合效應”強韌化先進金屬材料的學術思想，發展了有序結構調控理論和方法，研發出系列超強韌的高性能金屬結構材料。他發表在《Applied Physics Letters》上題為“Role of yttrium in glass formation of Fe based bulk metallic glasses”的論文被《Science》選做“Editor’s Choice” 并被Materials Today采訪和評述。發表在Nature-Asia Materials期刊上關于塊體非晶鋼的研究被世界各地的媒介采訪和評述，包括《Nature》，人民日報，Physical News Update， French Science Vie， Science News， MRS Bulletin及NyTeknik等。2009年，新型耐熱不銹鋼的工作被評為世界上“the top high technology products of the year”。謝建新：中國工程院院士，獲得國家科技進步獎兩項，國家技術發明獎二等獎一項，并獲得多項省部級和教育部獎勵。除了科研成果大豐收之外，在教學成果方面也頗有建樹。主要研究方向為：1、材料基因工程理論與技術；2、人工智能在材料研發中的應用；3、材料加工新技術與新工藝。近五年，他和他的研究團隊共收獲國家級項目14項，省部級項目5項。張躍：中國科學院院士，2018年度獲國家自然科學二等獎。從事低維半導體材料及其服役行為的研究，致力于將材料研究和國防重大需求相結合，在基礎理論、制備技術和工程應用方面做出了系統性、創新性重要貢獻。在Nature Energy、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials和Physical Review Letters等國內外期刊上發表SCI論文400余篇，SCI他引萬余次，授權專利50余項。另外，張躍院士還特別注重人才的培養，已經有 2名學生獲全國優秀博士學位論文，3名學生獲北京市優秀博士學位論文。另外，北科大還匯集了一大批精英人才，在國內國際具有較大的影響力，在這里不能一一贅述，感興趣的朋友可以查閱相關網站。2.3 東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室王國棟：中國工程院院士，獲得國家科技進步獎一等獎2項，二等獎6項，國家技術發明二等獎1項，省部級科技進步二等獎以上獎項21項。王國棟院士的主要貢獻可以歸納為如下：（1） 承擔的“新一代鋼鐵材料軋制過程中實現晶粒細化的基礎研究”，提出晶粒適度細化、復合強化等學術思想，解決了提高材料抗拉強度、降低屈強比和在現有軋機上生產超級鋼兩個關鍵問題。研究成果應用于寶鋼、鞍鋼、本鋼等企業，已批量工業生產超級鋼百萬噸。為我國超級鋼的開發、生產和應用走在世界前列做出了貢獻。被國外媒體喻為“超級鋼之父”。（2）承擔的國家重大技術裝備研制項目“首鋼3500 mm中厚板軋機核心軋制技術和關鍵設備研制”，形成了具有我國自主知識產權的中厚板核心軋制技術，實現重型中厚板軋機的國產化。該研究成果已在中外20多家工廠得到應用。（3）國家九五攻關項目中“熱軋工藝的模擬和優化”、“人工智能在軋鋼中的應用”等課題，在不改動或少改動硬件的情況下，利用人工智能、有限元、組織性能預測等技術，通過軟件優化軋制過程。該成果應用于寶鋼，使得板形封鎖率由1.62%降低到0.5%以下，廢品量降低50％，卷廢率由2.91%下降到0.44%極大地提高了產品的尺寸精度。 王昭東：從事金屬材料先進軋制技術和熱處理的研究工作，圍繞熱軋板帶鋼新一代控軋控冷工藝理論與裝備技術，構建了以超快冷為核心的熱軋板帶鋼新一代TMCP理論體系，開發出“軋制-冷卻-熱處理”一體化組織調控方法，建立起節省合金、提高鋼材性能的新途徑，推廣應用至國內大型鋼鐵企業30余條生產線，實現了4000萬噸/年節約型熱軋鋼材批量化生產規模。針對特種鋼板熱處理，研發出國內首套連續輥式淬火裝備技術，構建起現代化熱處理線工藝控制分析平臺，應用至寶鋼、鞍鋼等20余條生產線，顯著提升了我國重大冶金裝備技術的國際影響力。西工大凝固國家科學與技術國家重點實驗室也可謂人才濟濟，匯集了周堯和（已故），張立同，傅恒志三位在國際上具有巨大影響的院士。培養的材料領域的人才在國內大放光芒，為國家的國防事業做出了非常突出的貢獻。李賀軍：中國工程院院士，先后獲得國家自然科學二等獎1項、國家技術發明二等獎2項、省部級一等獎6項；授權國家發明專利150余項，支撐了多型高技術裝備的定型與研制，解決了國家重大戰略亟需的多項關鍵超高溫材料應用難題，并且在中國機械、冶金、汽車等眾多民用領域得到應用，為國防科技發展作出了突出貢獻。將碳/碳復合材料抗氧化涂層從先前使用溫度1400℃、防護時間30小時提高到1600℃、防護時間900小時，實現了國內碳/碳復合材料抗氧化研究的大飛躍。將壓力加工的方法跨界用于碳/碳復合材料的制備，實現了該材料由航空航天戰略性武器應用向兵器常規戰術武器應用的突破。黃衛東：國家杰出青年基金獲得者，教育部長江學者，國家科技部3D打印專家組首席專家。黃衛東教授在3D打印的產學研方面走在了國際前列，不僅在相關理論方面取得了重大突破，而且成立了國內3D打印的上市公司—鉑力特，代表著國內3D打印產學研最高的水平，已經取得了歐洲空客公司的認證，共同開發激光立體成形技術在航空領域的應用，重點研究激光3D打印技術在飛機部件制造中一次打印成形、減少加工余量以及材料在成形過程中變形等難題。其打印出的國家C919大型商用飛機鈦合金結構件是目前世界上已知最大的一次整體激光成形構件。介萬奇：國家杰出青年基金獲得者，獲國家技術發明二等獎3項，全國模范教師和優秀科技工作者。長期致力于金屬材料鑄造成型和功能晶體單晶生長的原理創新、技術開發和成果轉化，主持開發出兩種大型復雜薄壁鋁鎂合金構件鑄造新技術及裝備，解決了嫦娥等多型航天型號關鍵構件鑄造的瓶頸問題，使我國在該領域躍升到國際領先水平。開發出高能射線探測用碲鋅鎘、太赫茲技術用碲化鋅等化合物半導體制備技術，解決了核科學、核安全監控、空間科學等領域的空“芯”化問題。另外，西工大凝固科學與技術國家重點實驗室還匯聚了劉峰，成來飛，林鑫，詹梅等一大批優秀的科技成員，為我國的國防科技事業貢獻了卓越的力量。四大實驗室作為材料領域之中的佼佼者，所取成果甚多，不能一一盤點，在這里，筆者僅列出四大實驗室在十三五期間的國家級獲獎成果。需要說明的是，國家科技獎并不能完全代表一個實驗室的科研實力。
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