为高铁关键部件装上自主铜合金 中南大学材料学院如何以基础研究助力产业发展？

凭借着世界第一的高铁运营里程和速度，中国高铁的实力得到国际社会的认可，已然成为一张亮丽的“中国名片”。

一路发展到今天，中国高铁在见证了民族的沧桑巨变的同时，也见证了我国科研人员在背后的不懈探索。

城市轨道交通的车辆实现牵引和电制动功能需要依靠牵引电动机。但在21世纪初期，我国进口一台牵引电动机需要花费十几万美元，而现在通过自主研发生产，一台电机的价格仅需十几万元人民币。生产成本的直线下降，关键在于高速轨道交通用铜合金这一材料的成功开发。

这一成果，来自中南大学材料科学与工程学院的研究团队。作为国内有色金属和冶金工程最强的院校之一，围绕“走出去、讲出来、帮上前”这一理念，中南大学在打通产学研“最后一公里”上探索出独特的道路。

“中国制造业实现‘跟跑’和‘并跑’已经很不容易了，如果还要实现‘领跑’，缺乏基础研究积累显然是办不到的。所以必须从两头发力，一头是满足应用场景提出的对于高性能材料的新需求，另一头是需要有庞大的基础研究理论的积累。”中南大学材料科学与工程学院院长李周教授对新材料在线说道。

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研发高性能铜合金引领电机革新

铜材料在中国的发展有着数千年的历史，但是近代以来，用于工业的铜合金却未能赶上时代步伐。随着工业进步，铜合金的应用越来越广泛，对于国民经济关联度一度达到80%以上，但由于铜资源的匮乏，铜加工技术未能得到重视，应用被国外掣肘。

正如20世纪90年代末，我国电动机主要依赖进口，技术的封锁也让国内生产的铜及铜合金找不到在应用和验证的机会，导致性能普遍较低，都不能用于大功率异步牵引电动机，严重制约我国重大工程实施。因此开发高强、高导、耐热的经济实用的铜合金材料迫在眉睫。

中南大学在有色金属与粉末冶金领域有着70多年的历史沉淀。新中国成立初期，国家就将武汉大学、中山大学等6所院校的矿冶类学科组建成中南矿冶学院，并开设国内最早之一的金属工艺系，攻克了人造卫星、长征系列火箭、神舟、高铁、大飞机等诸多国家重大科研所需的关键材料。

以国家重大需求为己任，铜合金的开发责无旁贷的落在中南人的身上。

1999年，中南大学材料科学与工程系尹志民、汪明朴教授牵头了一个科研项目：大功率异步牵引电动机转子关键材料的研究工作。

转子通常由导体和磁性材料组成，包括导条、端环和护环。纯铜由于具有优良的导电性、导热性、耐蚀性及良好的加工性能，非常适合制作功率较小、转速较低的电机的导条和端环。不过，纯铜的弊端在于强度较低，同时纯铜在高温下的抗软化能力低。

作为轨道交通牵引动力的电动机，随着功率的增大，转速的提高，车速的加快，以及环境温度的升高，纯铜显然已经不能满足使用要求。

为解决我国高速轨道交通的急需，结合中南大学特有的有色金属材料研究积累，以及对应用场景的综合分析梳理，尹志民、汪明朴教授带领团队提出了一种具有较高的机械强度、高导电和耐高温软化性能的高性能铜合金可用于转子关键部件的制造。

“但材料的研发及走上生产线，都不是一件容易的事情”，回想起当年的研发经历，李周教授感慨道。

当时，在材料设计过程中，电阻率、耐热性能、电阻温度系数的调控都属于材料设计的一部分，但由于不同元素具有不同的功能特性。“材料设计的过程看似简单，但实际上需要我们在实验室里通过无数次的测试才能达到目的。”

此外，受限于当时的制备条件，团队在制作导条的过程中遇到了一些困难。由于学校没有挤压机，团队不得不借助湖南涟源的宏源机械厂的挤压机进行实验。由于机械厂自身还拥有生产任务和成本考核压力，科研团队经常在凌晨1点等待厂家完成生产任务后才能进行实验。无数个日日夜夜，师生们吃在试制车间，睡在试制车间。

辛勤的付出和不懈的努力终于换来了成功的喜悦。尹志民、汪明朴教授带领团队最终成功研发出高性能铜合金并在铜合金研究所实现了中试生产。

2000年，由株洲厂和株洲所联合研制出时速200公里的交流机车“蓝箭”竣工时，团队研发的高性能铜合金就被应用于其中。

高速轨道交通用铜合金研究与应用开发的成功，也打破了国外的技术垄断。我国的电动机也从依赖进口逐步走向自主生产。

此后，高性能铜合金成为我国轨道交通新型动力———大功率异步牵引电动机的关键材料，并成功应用于我国广深高速铁路、广州、上海、南京、北京、武汉等多座城市的地铁、轻轨等重大工程中。

“从材料的制备到最后的产品，有着很长的鸿沟，是几代人一起攻关，才把它实现的。”李周教授感慨地说道。

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从需求出发，不断推动高性能铜合金的研究

“实现成果落地，将研究选题与产业化有机结合十分关键。从本科生开始，我们就鼓励学生进入到科研团队，展开研究，通过实际的研究打牢基本功；有很多企业与我们进行合作，帮助企业攻克技术难题，并借机建立起对产业需求的系统认知。”李周教授对新材料在线介绍道。

正如高性能铜合金的研发案例，李周教授得出结论：从事科研工作需充分考虑科研团队的特点，从需求端出发，紧密结合实际应用场景进行攻关。

铜及铜合金加工材作为人类最早使用的金属材料，因其高导电性、高导热性和耐腐蚀性的物理属性和综合性能而在多个领域得到广泛应用。但纯铜强度较低，且在高温下抗软化能力较弱。如何在保持铜高导电、高导热的固有特性的同时，提高其强度，并开发出其他功能，一直是李周教授团队努力的目标。

着重于高性能铜合金的设计、制备加工、相变机理、强化机制、导电机制和应力松弛机理等的研究，李周教授所在团队提出了高强、高弹、高导铜合金的设计原理和方法，并发展了高强高导时效强化铜合金、高强高导弥散强化铜合金、高抗应力松弛弹性铜合金、抗变色及耐蚀铜合金、超高强耐磨铜合金以及上述高性能铜合金的先进制备技术。

从实际需求出发，中南大学高性能铜合金团队先后成功研制纳米弥散强化铜合金，由于具有优良的力学、导电、导热、气密性以及良好的抗高温软化能力，应用于“神舟”系列飞船；研制的超高强导电弹性铜合金满足了导航系统用关键材料的需求。开发的系列高性能铜合金及其制备技术在国内大型铜加工企业实施。

复合材料在今后高性能铜合金的进步中逐渐占据重要地位。“复合材料的独特之处在于能够将不同材料的性能整合到一个体系中，实现性能的综合和提升。这种糅合的过程使得材料的结构特性和功能特性得以放大”李周教授说道。

谈及产学研顺利结合的关键，李周教授认为：“基础研究和学科建设是原动力，产学研的工作必须从基础研究开始。”

当前，中国制造业要实现从“跟跑”到“并跑”再到“领跑”，如果缺乏针对产业或核心体系的大量基础研究的积累，就无法实现“领跑”。要实现领跑，必须从两头发力，一要有新应用场景的开拓，二要从基础理论进行突破。

在高性能铜合金的研发过程中，“没有原始积累，就不可能有这样一个源源不断新型铜合金的发展”李周教授表示。

以电气化轨道交通装备中负责电能转换的核心部件——IGBT（绝缘栅双极型晶体管）芯片为例。IGBT被称为电力电子装置的“CPU”，它是电动车混动系统和电驱系统等关键部件的核心设备，直接影响着车辆电机的动力输出。

从2004年引进高铁列车开始，每年中国的高铁列车都需要进口约十万个IGBT模块，价值超过人民币12亿元。

当前，该芯片制造用的陶瓷覆铜板就主要依赖进口，因为其在制造过程中面临着焊接工艺等挑战。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主，原理上，在高温环境下焊接，要求DBC陶瓷覆铜板焊接后晶粒不能够长大等，否则会影响焊接质量。

“但如何通过设计铜合金或者纯铜材料，在高温下让其晶粒长不大，就牵涉到很多基础研究”，其中包括晶界结构调控、痕量元素晶界偏聚行为及其对晶界迁移的阻碍机制等，“因此基础研究至关重要，没有基础理论的指导和支撑，很难产生突破和创新”李周教授说道。

除此之外，科研成果的转化作为产学研的“最后一公里”同样至关重要。

中南大学一直致力于推动科研成果的落地，材料学院积极落实学校的相关要求部署，坚持“走出去、讲出来、帮上前”，近5年来，已成功转化成果的合同经费达到3亿元。

李周教授介绍，所谓“走出去”，是指主动与各类企业对接，将学院老师的研究特点、方向和研究成果进行交流，让企业了解学院的技术成果、技术储备和研究方向等，从而建立起良好的合作关系。“讲出来”则是要求老师积极参学术会议的同时，也要积极参加产业界的会议中，通过分享研究成果和技术，让更多人知悉了解学院的科研实力和科研成果。而“帮上前”则是在解决企业遇到的问题时，主动提供帮助，通过技术转让、合作开发等方式，将团队的技术切入到企业中去，从而实现科研成果的有效转化。“通过这些措施，既解决了企业的问题，又将成果转化为新产品，实现了双赢。”李周教授表示。