2020年度国家科学技术进步奖二等奖

　　　　　　

——记西北工业大学材料学院介万奇教授及其团队

　　

蔡 萌

　　

　　

　　铸造，是一切工业之基础，如果没有铸造行业的支撑，各种工业生产生活必备用具，以及国防军工武器产品均无法诞生。一个国家的工业要振兴，离不开先进的制造技术，而铸造无疑应该排在先进制造技术的前端。所以，铸造技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，同样也是一个国家经济发展和国防安全的重要组成部分。

　　我国是一个历史悠久的铸造大国，中国铸造产业也一直是国民经济中重要的、基础性的、不可替代的产业。虽然是一门古老的行业，但铸造也在时代发展中不断创新，新工艺、新材料、新设备以及如何高效使用设备都是一次次的创新过程。

　　西北工业大学（以下简称“西工大”），作为我国唯一以“航空、航天、航海”三航为特色的国防学科高等学府，长期以来推动着铸造现代化的前进步伐，并稳定保持在国内顶级水平。在周尧和、傅恒志和张立同3位院士的主持开拓下，在西工大铸造专业国家重点学科基础上建立起来的凝固技术实验室，经过20余年的风雨兼程，已经发展成为由材料科学与工程国家A类一级重点学科支撑的国家重点实验室。

　　凝固技术国家重点实验室（以下简称“实验室”）自建成以来，将过去传统的铸造专业带入到了一个更为广泛、更为通用的领域。几代科研人薪火相传，不断积累，将成果成功运用到国家的高端装备制造业中，兴国兴邦，用科研雄心铸造中华民族伟大复兴的中国梦。

　　在西工大任教工作了30余年的介万奇教授于20世纪90年代实验室成立初期，曾经担任过一年的常务副主任，是实验室重要的骨干成员和蓝图绘制者，后来又在西工大材料学院成立之时做了6年的院长。卸任之后，他专心耕耘在科研与教学第一线，成为我国凝固技术领域的学术带头人之一，面向国际科技前沿、学科发展以及国家重大战略需求，凝练发展目标和研究方向，开展了大量原创性、系统性的科学研究，打造出一支高水平的研究团队，培养和汇聚了一批高层次的学科领军人才，带领着这些“铸梦人”在探索材料科学的道路上，砥砺前行，勇攀高峰，攻克了一个又一个技术难关。

　　

　　

　　凝固是物质从液相转变为固相的过程，水结冰、金属铸造、焊接、半导体晶体的熔体生长过程等自然界和工业过程中普遍发生的现象都属于凝固过程。凝固理论研究不仅提供对凝固过程的科学认识和深刻理解，还是发展先进凝固技术和先进材料的基础。

　　介万奇介绍说，自“十一五”以来，我国航空航天、汽车、高铁等高新技术产业进入高速发展时期，多种重大型号陆续进入设计定型阶段，大型复杂高质量铝合金构件的成型方法成为决定产品设计方案和性能的重要影响因素，而铸造是获得大型复杂铝合金构件短流程、低成本、整体成型的最佳方法，但传统铸造技术存在成型精度低、铸件质量差等问题，成为制约大型复杂铝合金铸件在高端装备中应用的瓶颈，亟须开发一种大型高质量铝合金构件的铸造新技术。

　　大型高质量铝合金构件的铸造是军民两用重大装备实现整体化、轻量化、精密化制造的关键技术。随着国防高技术武器装备的跨代发展，对于超高温热结构材料、先进功能材料和金属材料也提出了越来越苛刻的要求，如温度更高、航时更长、强度更高、功能更强等。

　　“比如涡扇发动机燃油系统壳体、新型重卡变速系统壳体等，不仅形状复杂，尺寸精度高，而且力学性能和致密度要求苛刻，传统工艺难以实现。飞机舱门等部件采用机械加工20多个零件，再用数百个连接件组装成整体结构，而复杂结构的整体精铸，不仅能缩短工艺流程、降低成本，而且可提高结构的整体性能。”说到这的时候，介万奇话锋一转，“但是，铸件的质量控制成了难点和痛点！”

　　据介万奇回忆，21世纪初期国内有好多航空航天大型铝合金铸件存在着冶金质量的问题，铸件性能达不到要求。主要是由于铸造过程中铸件过大，凝固过程非常复杂，会产生各种各样的缺陷。“比如壁厚很薄的时候，凝固得比较快。如果你的工艺不好，这个地方合金液还没浇进去，那个地方已经凝固了。不协调的话就会不均匀，就会出现各种各样的缺陷。”介万奇解释道，“只有把这些缺陷解决了，铸件的性能才能达到使用要求。当时国内遇到了好几个航空航天的型号，都是因为大型铸件的问题解决不了，只能依靠从国外进口。”

　　被国外同行“卡脖子”，这让以介万奇为代表的铸造人寝食难安。为了改变这一被动的局面，他们用了近15年的时间进行凝固原理研究和铸造技术创新，在重点解决大型零部件的凝固组织致密度和铸造缺陷控制等问题上，颠覆了原来的传统和固有思路，摸索走出了属于自己的一条路，无论从制造方法，还是工艺技术装备上，都是一个独创的结果。

　　团队在介万奇的带领下，开发出大型高质量铝合金构件控压成型铸造新技术，解决了大型铝合金构件整体成型和组织性能调控难题，研制出当时国际上史无前例的轮廓尺寸达3000mm的高性能复杂铝合金精铸件；创建了大型高质量铝合金构件冶金质量控制新工艺，实现了高致密、高性能铸件成型，突破了铸件力学性能必须打折60%～70%使用的传统观念；提出了大型复杂薄壁构件尺寸精度综合控制技术，解决了大型复杂铸件尺寸精度控制难题，实现了3000mm以上铸件尺寸精度优于CT7级；自主研发出大型控压成型铸造装备，解决了大尺寸、大吨位异形构件的成型工艺难题，填补了我国大型控压成型铸造装备技术空白。

　　这一成果不仅摆脱了国外技术的制约与束缚，并且整体达到了国际先进水平，保障了国家重大型号的研发与批产，在我国各型先进战机、航空发动机、超高速导弹、空间站、卫星、核电、燃机等大量型号任务中发挥了关键作用，并且应用于高铁、汽车关键铸件的生产中，提升了国有企业的核心竞争力，产生了巨大社会和经济效益，介万奇团队也凭此成果获得了2020年度国家科学技术进步奖二等奖的荣誉。

　　

　　

　　辐射已经算得上是一个老生常谈的话题。我们的日常生活中，放射源无处不在。在医院进行CT检查，通过机场、火车站和地铁站的安检仪，甚至使用不达标的大理石建材等，都会受到放射性物质的影响。

　　如何监控日常生活中的辐射量呢？科学家告诉我们，X射线和伽马射线探测器是核科学技术、公共安全监测、核医学成像、工业无损检测、空间天文观测等领域的核心器件。当年，基于射线探测器的仪器设备有上百种，每年有数百亿美元的市场。但是市场上流行的同类产品却一直饱受传统材料纯度低、反应慢和灵敏度低等技术缺陷的困扰。

　　在2004年前后，国际上突然关注到一种叫碲锌镉（CZT）的材料，由于它对辐射监测的灵敏度和准确度远远高于传统材料，被认为是做X射线、伽马射线探测的最优选择。碲锌镉探测器成为可在非制冷条件下工作的国际公认的新一代高能射线半导体辐射探测器。然而，探测器级CZT晶体对物理性能具有非常苛刻的要求，由于其在生长温度下的热导率低、堆垛层错能低、强度低，容易形成阳离子空位、位错、Te沉淀相等结构缺陷，使得晶体电学性能难以达到使用要求。解决以上问题需要将成分设计和制备技术相结合，是探测器级的CZT晶体材料研制的难点。所以，尽管国内外做这个材料研究的学者和团队众多，最后真正能做到实现应用的也只有美国、加拿大、以色列三国。

　　早在1993年，鉴于国内在辐射监测检测材料研究领域的短板，介万奇团队就已经开始了Ⅱ-Ⅵ族化合物光电子材料晶体生长技术、性能表征及应用技术的研究。他们决定将金属凝固的技术应用到电子材料，“电子材料和金属材料的要求不一样，金属材料的话，我主要探索控制它的力学性能，而如果半导体的话，还要考虑它的电学性能”。在介万奇看来，材料科学不仅要解决重要理论问题，更要注重实际应用，只有将理论与技术进行有机的结合才能取得突破。

　　通过十余年的探索攻关，介万奇团队发明了在常压布里奇曼法中引入成分补偿与掺杂和对流控制的新技术，以及可控气氛退火等30余项专利技术，在我国首次解决了晶体材料的成分设计和优化、晶体合成与生长、晶体加工与表面处理以及探测器元件的制备等诸多技术难题，开发出了高性能的探测器级CZT晶体及高效率、低成本单晶制备技术和关键设备，一举打破了国外垄断与封锁。

　　介万奇团队所开发的CZT晶体经英国卢瑟福国家实验室、中核北京核仪器厂等国内外多家权威机构测定一致表明其性能优异，达到了国际先进水平。与此同时，与当年国际最先进的传统工艺技术相比，依托该技术生成的晶体材料成品率提高了3至5倍，生产效率提高3倍以上，但综合成本却降低了50%以上。在2013年，介万奇主持完成的这项“高能射线探测器用碲锌镉晶体材料及制备技术”获得了国家技术发明奖二等奖的荣誉。

　　以该项技术成果转化研发的空间伽马射线和粒子计数仪主要应用于空间生物技术领域的科学实验，并在当年成功搭载我国首颗微重力卫星“实践十号”一举飞上太空，主要负责对卫星上携带的生物体在太空中受到宇宙射线辐射的定量测量分析。

　　对此，介万奇介绍道，生物体在太空当中停留一定周期后，在各种外太空宇宙射线的辐射下，其基因会发生一定的变化甚至变异。而了解这些变化，对于人类对生命科学和载人航天等领域的研究有着重大的意义。团队研发的空间伽马射线和粒子计数仪可以精确地测量出在当前环境下生物体受到宇宙射线的辐射量。测量结果与生物体基因变化程度形成了对应，可以为空间生命科学的研究提供科学、客观的数据分析。

　　此外，团队开发的核辐射探测器已在中国工程物理研究院、中国原子能研究院和西北核技术研究所成功应用，为我国的核科学实验和核安全监控提供了有力支撑。开发的线阵和面阵CZT探测模块，解决了骨密度仪、医用CT等高端医疗设备和工业无损探伤设备对核心探测器的需求，尤其是在在医学CT、X光等人体医学检测领域的应用中，介万奇团队研究的设备在达到同样效果的前提下，在辐射剂量上会减少很多，大大降低了对人体的伤害。研究成果还广泛应用于环境污染检测、工业CT、机场火车站安检，甚至包括我们网购过程中所有邮寄包裹的“透视”检测……为我国在上述领域同时实现国产化替代进口以及第三代技术替代第二代技术的跨越奠定了基础，使我国成为世界仅有几个的掌握该项核心新材料技术的国家之一，大大提升了我国核辐射探测仪器研发领域的国际话语权。

　　

　　

　　“有志气、讲团结、肯拼搏”，这是当年介万奇的恩师周尧和院士对于团队和学生的要求。薪火相传，这也成为西工大凝固技术国家重点实验室和介万奇研究团队20余年“传帮带”继承下来的优良传统。 

　　介万奇常说，铸造是一个团队合作的行业，哪个环节出了问题，都会让所有人的努力前功尽弃。“我作为总体负责和综合设计者，虽然很多原理是我提出来的，但是真正把一个设计的原理图形成技术，变成装备，要涉及机械、电子、控制、生产等好多领域，这些工作量是巨大的，需要大家合作共同完成，而且一定是要在非常密切协调的合作过程中完成的。”介万奇举了一个铸造行业里最常见的例子，“做一个铸件的时候，有负责造型的，有负责冶炼的，有负责浇筑过程控制的，各自解决的问题是一个整体不同的侧面，比如尺寸精度、致密度、力学性能等，但这些都是在同一个过程中发生的。这些环节要是配合得不好，中间可能就会出现漏洞，工艺过程就会出现差错，最后就只能是一堆废品！”

　　另外，在介万奇看来，科学研究不能只是在实验室里纸上谈兵，或者仅仅是写在论文里的一个理论成果，最后一定要把它落实到生产工艺当中去，要真正在生产线上实现，那便又需要产学研一系列的配合。高校的大量研究成果，如何走出象牙塔，破茧成蝶，将高精尖的技术转变为市场认可的产品，这是长久以来众多高校科研成果转化的难题，也一直是介万奇团队不断探索的前进方向。

　　“顶天立地”——这是介万奇为团队的研究工作制定的思路，“要上书架，也要上货架！”积极开展科研成果转化，将技术转化为生产力。以介万奇团队研发的新型辐射材料与器件技术为基础，在西北工业大学科研成果转化相关政策的支持下，他们组建了国内唯一的探测器级CZT晶体生产企业——陕西迪泰克新材料有限公司，填补了我国在该领域的多项空白，打破了国外公司技术和产品的垄断，提升了国产核与辐射仪器的核心竞争力。

　　“研发新材料，在实验室里头做，和在企业里做太不一样了！”介万奇感叹道，“在实验室，大量的材料只要成功测出一个信号，测一测数据就可以发文章了。但是在企业里，这可不行，你要考虑成品率，我做一批多少个是好的，多少个是不好的。还要考虑到工业设计。这些都是我们在组建企业之后所面临的问题，好在经过努力，我们逐渐把这些问题都解决掉了，也形成了一系列有影响力的产品。”正是这种攻坚克难、精益求精的精神，使得介万奇团队在产业化落地的时候，得到了业内极高的认同度。

　　“真正要把一项技术、一个材料，从实验室结果最后成功做成一个成熟的产品，这里面要经历千辛万苦，过程实在是太复杂了，我们能够坚持下来，确实很不容易！”一向不言辛苦的介万奇在回顾团队的产学研历程时也禁不住感慨，“我们都是从0到1的这种突破，这种突破是最难的，弯路没少走，苦头没少吃。”成功的经验都是在失败中得来，对于前沿科学技术的认知和掌握需要科研人员反复钻研，重复做成百上千次的试验，但也正是他们的默默坚守和不懈努力，才有了今天令人瞩目的成绩。

　　美国人斯科特·派克在《少有人走的路》里陈述过一个观点：当你碰到问题的时候，一个成熟的人一定会选择面对问题解决问题，而不成熟的人则会想方设法地绕过问题。书里说，你愿不愿意面对困难，是一个人成熟与否的标志。介万奇团队也正是时刻如此勉励自己，无论是科研本身还是企业的发展，都没有捷径可走，来不得半点虚假和自欺欺人，任何凭侥幸心理试图一举成功的做法都是不可能的。科学前沿的重要问题往往都是世界级难题，既要靠智力，也要靠专注和毅力。在困境中能够咬牙坚持住，才会在经历风雨之后，迎来美丽的彩虹。

　　介万奇会把他的这一观点在日常交流中灌输给他的团队成员，在他的团队里，有跟随他一路前行十多年的“老战友”，也有意气风发的海归学者，更多的是对未来充满了期望的年轻一代。在介万奇的眼中，他的学生都是非常优秀的，只不过还需要时间的积累和修为。他总说，科研就像跑一场马拉松，而不是百米竞赛，智力的差别并不大，关键在于你能坚持多久，一年、十年还是一辈子。在这个过程中，对手不是别人，是自己，战胜自己往往比战胜别人更重要。

　　中国人讲究“传承”，介万奇说，他这一生很幸运能在西工大遇到很多大师级的学者，他们在略显浮躁的现实环境中却能专注平凡地做着自己的科研。这对他的影响非常之大。介万奇认为，一所大学真正能流传后世的东西，不是有多少座大楼，多少张奖状，而应该是一种强大的学术力量和对于国家发展所作出的贡献程度。他希望自己也能够把这种精神传承给团队里的年轻人，使他们青出于蓝而胜于蓝。一代又一代的“铸梦人”接续奋斗，能够走上国际舞台发光发热，为中华民族的伟大复兴梦想添砖加瓦，集聚更大力量。

　　

专家简介　　

　　

　　介万奇，西北工业大学教授，博士生导师，洪堡学者。曾任西北工业大学材料科学与工程学院院长。国家原“973”项目首席科学家，国家“百千万人才”工程计划入选人才，国家杰出青年科学基金获得者，全国模范教师，全国优秀科技工作者、第二届全国创新争先奖章获得者。带领团队长期致力于Ⅱ-Ⅵ族化合物光电子材料晶体生长技术、性能表征及应用技术研究，以及复杂合金凝固过程基本原理与铸造技术研究。荣获国家技术发明奖二等奖2项，国家科学技术进步奖二等奖1项。