立足原始創(chuàng)新 服務(wù)國(guó)家重大需求
——走進(jìn)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室概況

凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是在西北工業(yè)大學(xué)原鑄造專業(yè)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科基礎(chǔ)上建立的，于1989年由原國(guó)家計(jì)委和國(guó)家教委批準(zhǔn)建設(shè)、1995年建成并通過國(guó)家驗(yàn)收，1998年4月通過原主管部門中國(guó)航空工業(yè)總公司組織的自評(píng)估，2018年實(shí)驗(yàn)室在科技部5年一次的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室評(píng)估結(jié)果為“良好”。

凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室定位于凝固與相關(guān)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代凝固理論、材料精確成形和航空航天先進(jìn)材料?，F(xiàn)任實(shí)驗(yàn)室主任為李金山教授，學(xué)術(shù)委員會(huì)主任為中國(guó)科學(xué)院院士魏炳波教授。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有固定人員126人，其中兩院院士6人，國(guó)家級(jí)杰出人才13人，國(guó)家級(jí)青年人才15人；擁有國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀創(chuàng)新群體1個(gè)，長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)2個(gè)，國(guó)家科技工業(yè)優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)1個(gè)，是凝固及相關(guān)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域高層次人才最為集中的研究機(jī)構(gòu)。

凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室堅(jiān)持以航空航天為代表的國(guó)防重大材料技術(shù)需求為主要服務(wù)對(duì)象，在不斷形成具有重大原始創(chuàng)新、高影響力理論成果和實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，充分發(fā)揮在材料科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域的綜合性和集成性優(yōu)勢(shì)，提供從基礎(chǔ)理論、新技術(shù)原理、材料設(shè)計(jì)、制備成形、成套裝備到使用效能的完整技術(shù)方案。2013年至今，實(shí)驗(yàn)室獲國(guó)家級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)8項(xiàng)（國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)7項(xiàng)），省部級(jí)一等獎(jiǎng)12項(xiàng)；獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利400余項(xiàng)；在金屬增材制造、陶瓷基復(fù)合材料、鈦合金/鋁合金熱加工、化合物半導(dǎo)體探測(cè)器材料和碳/碳復(fù)合材料等方面的專利成果還支撐了鉑力特、鑫垚、超晶、迪泰克、航灃5個(gè)高技術(shù)創(chuàng)新企業(yè)，其中，鉑力特已成為具有顯著世界影響力的中國(guó)3D 打印龍頭企業(yè)，并于2019年在科創(chuàng)板正式上市交易。

創(chuàng)新性成果與進(jìn)展

凝固理論研究不僅提供對(duì)凝固過程的科學(xué)認(rèn)識(shí)和深刻理解，而且還是發(fā)展先進(jìn)凝固技術(shù)和先進(jìn)材料的基礎(chǔ)。劉峰教授建立了更精確描述實(shí)際生產(chǎn)復(fù)雜過程的凝固與固態(tài)相變一體化理論，大幅度松弛了經(jīng)典凝固理論的一些約束性假設(shè)，揭示了鋼鐵、鋁合金連鑄涉及的相變熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)協(xié)同效應(yīng)以及與微觀組織和關(guān)鍵力學(xué)性能的定量關(guān)聯(lián)，理論成果在高強(qiáng)度低合金鋼、鋁合金、非晶合金以及納米晶材料組織調(diào)控方面獲得應(yīng)用。王錦程教授和李雙明教授等建立了精確模擬凝固界面特性的相場(chǎng)模型，實(shí)現(xiàn)了以微觀組織為核心的定向凝固、增材制造、快速凝固過程跨尺度多物理場(chǎng)模擬，深化了對(duì)形核機(jī)理、競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)等基礎(chǔ)問題的認(rèn)識(shí)。介萬奇教授揭示了Ⅱ~Ⅵ族多元化合物半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)的組分分凝與成分過冷規(guī)律，建立了晶體合成、生長(zhǎng)及后續(xù)退火處理工藝控制方法，解決了晶體結(jié)構(gòu)、成分與缺陷控制的難題，制備出多種Ⅱ~Ⅵ族多元化合物晶體與探測(cè)器件，在空間探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、核科技、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。樊慧慶教授將低溫氣液凝固納米合成技術(shù)和組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，開發(fā)出多種大面積、可折疊、柔韌性的壓電納米復(fù)合膜及其納米發(fā)電機(jī)，可望應(yīng)用于移動(dòng)電子器件、電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車等領(lǐng)域和柔性顯示屏、電子皮膚等柔性設(shè)備。王洪強(qiáng)教授將極端非平衡凝固技術(shù)用于光電轉(zhuǎn)換材料與器件研究，開辟出極端條件與新能源器件前沿交叉方向。

實(shí)驗(yàn)室面向航空航天等國(guó)家重大工程需求，在金屬材料近凈成形技術(shù)方面取得了多項(xiàng)成果。介萬奇教授發(fā)展了大型復(fù)雜薄壁構(gòu)件的反重力鑄造工藝與裝備技術(shù)，研發(fā)出3D打印輔助造型的真空增壓石膏型精鑄技術(shù)，生產(chǎn)出最大尺寸3~5m、壁厚1.5~40mm 不等的各類高質(zhì)量鑄件，尺寸精度較傳統(tǒng)鑄造技術(shù)提高2~4 級(jí)，形成了目前世界上最大尺寸鋁合金結(jié)構(gòu)件精密鑄造能力，并在航空航天等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。黃衛(wèi)東教授和林鑫教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出達(dá)到世界先進(jìn)水平的系列金屬增材制造裝備和成套先進(jìn)工藝技術(shù)，突破了高性能、成形精度和效率兼顧的技術(shù)難題，2017年采用3D 打印制造了2 萬多個(gè)金屬零件，服務(wù)于100余家航空航天軍工企業(yè)，為我國(guó)先進(jìn)飛機(jī)、空天發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛行器等研制生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)保障。詹梅教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了局部加載主動(dòng)控制和利用不均勻變形實(shí)現(xiàn)難變形材料復(fù)雜構(gòu)件塑性成形制造的關(guān)鍵技術(shù)，形成了輕量化構(gòu)件精確塑性成形工藝、模具裝備和技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了難變形材料大口徑薄壁彎管件、鈦合金復(fù)雜鍛件、板帶面內(nèi)彎曲件和大型薄壁異形件4 大類構(gòu)件的高端制造，為我國(guó)先進(jìn)飛機(jī)關(guān)鍵輕量化彎管件和管路系統(tǒng)、高筋薄腹結(jié)構(gòu)鈦合金整體隔框的制造提供了技術(shù)支撐。劉東教授與航空工業(yè)安大等單位合作，突破了復(fù)雜薄壁環(huán)件精確輾軋關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高溫合金、鈦合金等難變形材料復(fù)雜截面環(huán)形件的精確碾軋成形，材料利用率提高到50%以上，精度提高到5‰以內(nèi)，在20余型發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，提升了我國(guó)環(huán)件精確碾軋成形領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力和航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)重件的自主保障能力。

針對(duì)國(guó)防武器裝備跨代發(fā)展對(duì)先進(jìn)材料的需求，實(shí)驗(yàn)室持續(xù)致力于從科學(xué)基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)到工程化應(yīng)用的全鏈條研究，形成了重大基礎(chǔ)→預(yù)研→型號(hào)應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展鏈，成果在航空、航天和兵器領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。李金山教授將材料基因工程與組織調(diào)控理論相結(jié)合，開發(fā)了多種高性能鈦合金材料及其鍛件制備技術(shù)，高強(qiáng)鈦合金緊固件、鈦合金剎車盤殼體等多種產(chǎn)品在航空航天多個(gè)重要型號(hào)上獲得應(yīng)用。李賀軍院士創(chuàng)新發(fā)展了C/C復(fù)合材料高效低成本制備工藝和性能穩(wěn)定性控制方法，在長(zhǎng)壽命耐高溫氧化/燒蝕涂層研究領(lǐng)域取得理論創(chuàng)新與技術(shù)突破，探索了CNT及陶瓷納米線增強(qiáng)C/C復(fù)合材料、新型高柔韌性CNTs/C 納米復(fù)合材料的制備方法，研制的C/C復(fù)合材料喉襯、燒蝕環(huán)等熱防護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵件已在多種型號(hào)高新武器定型列裝。張立同院士團(tuán)隊(duì)突破了碳陶飛機(jī)剎車功能復(fù)合材料研制與應(yīng)用的系列關(guān)鍵技術(shù)，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了多種功能改性C/SiC 大型復(fù)雜防熱構(gòu)件的一體化組合集成制造，使我國(guó)成為國(guó)際首個(gè)將碳陶剎車盤成功用于飛機(jī)機(jī)輪剎車的國(guó)家，研究成果在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、高超聲速飛行器、衛(wèi)星等多個(gè)型號(hào)獲得應(yīng)用，支撐了國(guó)家重大專項(xiàng)的實(shí)施。周萬城教授在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫隱身領(lǐng)域開展了開創(chuàng)性的研究，有效解決了隱身材料高溫性能易退化和高溫?zé)嵴褚讚p壞等關(guān)鍵難題，研究成功一個(gè)完整系列的高溫功能材料，成功應(yīng)用于多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，使我國(guó)首次具有了隱身航空發(fā)動(dòng)機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

學(xué)術(shù)交流與合作

凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室堅(jiān)持以我為主，持續(xù)加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流與合作，在提高基礎(chǔ)研究水平、引育高素質(zhì)人才方面成果顯著。2013年至今，實(shí)驗(yàn)室先后承擔(dān)了中法、中德、歐盟第7 框架“瑪麗· 居里行動(dòng)”、英國(guó)GII 以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)等20余項(xiàng)合作研究項(xiàng)目，并與空客公司建立了西北工業(yè)大學(xué)-空中客車公司增材制造聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。在材料基因工程方向，實(shí)驗(yàn)室積極抓住與國(guó)外專家的合作契機(jī)，筑巢引鳳，先后引進(jìn)王俊杰、牛海洋等多位青年學(xué)者，并聘任日本東京工業(yè)大學(xué)細(xì)野秀雄教授、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Michele Parrinello 教授為名譽(yù)教授，組建了實(shí)驗(yàn)室“材料基因組國(guó)際合作研究中心”和“中俄計(jì)算材料發(fā)現(xiàn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，獲得基金委資助的中法合作交流項(xiàng)目2項(xiàng)，多項(xiàng)研究成果發(fā)表在Nature Reviews Materials和Nature Communications上。2019年，Oganov 教授獲中國(guó)政府友誼獎(jiǎng)，并當(dāng)選英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士（Fellow of the Royal Society of Chemistry，F(xiàn)RSC），先后受邀出席在人民大會(huì)堂舉行的外國(guó)專家新春座談會(huì)和科技部“2035 國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃”外國(guó)專家建言會(huì)等重要活動(dòng)。

作為中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)凝固科學(xué)與技術(shù)分會(huì)的理事長(zhǎng)單位，凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室還致力于打造凝固科學(xué)與技術(shù)高層論壇、青年論壇等系列學(xué)術(shù)會(huì)議，并堅(jiān)持以凝固科學(xué)技術(shù)為核心，與材料、能源、信息、生命、空間科學(xué)和物理化學(xué)等學(xué)科進(jìn)行深度交叉融合，培育重大原始創(chuàng)新成果，服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略工程。