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实验室简介

  新金属材料国家重点实验室是1989年经国家计委和教育部审批立项、原冶金工业部批准,依托于北京科技大学、1991年开始筹建;经过四年边建设、边研究、边开放,于1995年通过国家验收,开始正式运行;随后分别于1998年、2003年、2008年、2013年、2018年通过科技部组织的每五年一次的国家重点实验室评估。

  一、主要研究方向及研究工作概述

  实验室于1990年经国家批准依托北京科技大学建设,立足于金属材料学科前沿、国民经济和国防建设的重大需求,开展以新金属材料研发和传统材料升级换代为目的的前沿探索和应用基础研究。经不断发展和优化调整,目前的主要研究方向和内容为:(1)前沿金属材料应用基础研究,主要包括金属间化合物、非晶/高熵合金、高温合金等新型金属结构材料;(2)新型功能材料应用基础研究,包括电、磁、声、光、热等功能材料与器件;(3)先进钢铁材料应用基础研究,包括高性能钢铁材料的创新设计、组织-性能关系、绿色制造、服役行为及应用;(4)材料制备新工艺新技术,包括高端关键金属材料制备新原理、新技术、新工艺与装备研发;(5)材料基因工程技术及应用,构建“理性设计-高效实验-大数据技术”深度融合的材料研发新模式,形成面向应用的全链条创新能力。

  近十年来,实验室在先进钢铁材料的创新设计与重大应用、新型金属材料的强韧化理论及应用、低维功能材料和器件的多尺度设计与制备、有色金属关键材料制备新工艺新技术及重大应用、材料基因工程技术及应用等5个方面取得一系列标志性成果。为推动我国关键金属材料的快速发展,支撑钢铁工业从小到大、从弱到强,满足国家经济社会发展、重大工程和国防建设做出了重要贡献,起到了不可替代的作用。

  近十年承担国家级项目954项,经费12.87亿元,其中主持973计划项目4项、国防973计划项目1项、863计划项目3项、国家重大科学研究计划项目1项,国家重点研发计划项目10项、国家自然基金委重大项目1项、重大科学仪器装置项目3项、总装瓶颈重大项目2项、军委科技委重点项目1项、国防科工局218工程项目2项。获国家科技成果奖13项,其中自然科学二等奖2项、技术发明二等奖5项、科技进步二等奖6项,获省部级科技成果一等奖46项。在Nature、Science等国内外重要学术期刊发表SCI学术论文8073篇。授权发明专利784项,其中转让150项。制定国际、国家及行业标准51项。拥有国家基金委创新群体、科技部创新团队、国防科技创新团队、教育部长江创新团队等10余个创新团队。现有固定研究人员95人,其中院士5人(含外籍院士1人)、杰青9人、长江12人、国家特聘专家5人、万人计划领军3人,其他国家级人才15人。

  二、代表性成果及转化应用情况

  近十年来,实验室取得了如下5个代表性成果。

  1)先进钢铁材料的创新设计与重大应用

  基于国家在海洋工程、能源装备、现代交通和国防军工等领域的重大需求,围绕钢铁材料高强、高韧、高塑和高服役安全等方面的前沿性重大科学问题,在科学原理、关键核心技术研究方面取得重大创新成果,包括:在基础理论方面提出最小化错配度界面调控、有序强化设计新思想及原位微纳组织协同调控理论,在核心技术方面发明了具有M3组织特征的第三代低合金钢组织调控方法,在制造流程领域开发了高性能钢铁材料近终形制造关键技术。开发出新一代2.2GPa超高强度钢,海洋平台、大型船舶、桥梁及管线工程用高性能钢,800MPa级高强高韧深潜用钢及核电工程用钢,寿命翻番的xx系列枪炮钢。基于短流程工艺研制出系列高强度低合金钢、高品质特殊钢、热轧超薄板带。开发的核心技术在宝武、鞍钢、首钢等大型企业得到推广应用。研发的高性能钢铁材料在港珠澳大桥、沪通长江大桥、我国自主设计和建造的中远2万箱超大型集装箱姊妹船、蓝鲸一号海洋平台、西气东输及中俄管线、绩溪抽水蓄能电站及老挝XP-XN水电站等重大工程应用,系列枪炮钢已实现批量列装,经济、社会和国防效益显著。

  承担国家级重大项目/课题46项,其中主持国防973计划项目1项、总装瓶颈重大项目2项、重点研发计划项目1项;理论成果发表在Nature等学术期刊;获国家科技进步二等奖2项、国家技术发明二等奖1项、省部级科技成果一等奖10项;获评2017年中国科学十大进展。

  2)新型金属材料的强韧化理论及应用

  针对国家航空航天、能源电力等领域极端服役环境对高强高韧先进金属材料的迫切需求,围绕破解金属材料强度-塑性(韧性)倒置关系的重大科学问题,提出了“有序-无序耦合效应”强韧化的学术思想,发展了强无序合金强韧化理论,突破了无序合金中多尺度有序微结构调控等关键技术瓶颈;研制出具有大拉伸塑性和加工硬化能力的块体非晶复合材料,攻克了非晶合金的室温脆性难题;设计出强度塑性同时大幅度提高的高熵合金,引领高熵合金的科学研究;研发出具有更高服役温度的新型钴基单晶高温合金、轻质钛铝合金;制备出世界上最大直径的难变形高温合金涡轮盘,在石油化工装备领域得到应用,填补了该领域的空白,为我国高端装备制造业和国防建设提供了关键支撑。

  承担国家级重大项目/课题31项,其中主持国家973计划、863计划、重点研发专项、基金委创新群体、军委科技委重点项目、国防科工局218工程项目、ITER计划专项等项目共7项;理论成果发表在Nature等期刊;获国家自然科学二等奖1项、国家技术发明二等奖1项、省部级科技成果一等奖4项。

  3)低维功能材料和器件的多尺度设计与精准制备

  针对电子信息、新能源、国防军工等领域下一代信息存储、高效能量转换、高灵敏传感等器件对新型功能材料的重大需求,围绕低维功能材料和器件的跨尺度设计、构筑与性能调控等关键科学问题和关键技术,开展了系统深入的创新研究。提出了界面诱导低维生长、相界面应变调控的学术思想,创新了多物理场耦合、多尺度结构/微结构原位表征与测量方法,发展了金属直接热氧化、激光限域、功能修饰、微纳加工与结构功能一体化等材料制备关键技术,实现了低维氧化锌新结构与高质量阵列结构、二维叠加纳米金属/氧化物电极、液晶显示调光膜、磁致伸缩与磁驱动记忆合金微丝、超临界弹性单晶纤维、超强铁电薄膜、拓扑霍尔效应合金薄带等多种高性能低维功能材料的精准可控制备,研制出系列新型传感、存储与能量转换器件。其中,首次研制出纳米氧化锌阵列强流电子发射冷阴极并在核爆模拟研究装备获得重要应用,显著提升了我国核爆模拟装备研制水平;金刚石膜扩热片成功应用于北斗系列卫星和神舟飞船。

  承担国家级重大项目/课题39项,其中主持国家重大科学研究计划项目1项、重点研发计划项目2项、国家基金委重大项目1项、重大科学仪器装置项目3项、国防科工局218工程项目1项;理论成果发表在Science等期刊上;获国家自然科学奖二等奖1项、国家技术发明二等奖1项、省部级科技成果一等奖7项。

  4)有色金属关键材料制备新工艺新技术及重大应用

  针对电子电力装备、国防军工、现代交通等高技术领域对有色金属材料绿色高效制造技术的重大需求,围绕材料制备、成形和加工过程组织性能精确控制等关键科学问题,发展了复合成形过程凝固和界面控制、成形和退火协同控制理论,提出了特种粉体材料复杂形状零部件近终形制造方法,突破了铜铝复合材料短流程高效制备、铜及铜合金高效连铸、特种材料近球形微细粉体溶液燃烧制备、系列铝合金形性一体化调控等技术瓶颈,研发出系列具有自主知识产权的新工艺、新装备,并成功实现产业化,生产的高性能铜铝复合材料出口到美国、欧洲、韩国等发达国家,批量应用于波音、空客、ABB、施耐德、LS产电等国际知名企业;铜合金板带产品近三年经济效益达150亿元,高性能特种粉体材料近终形产品解决了多项国防重点型号装备“卡脖子”的难题;新型铜基复合材料刹车片成功应用于时速350公里“复兴号”标准动车组并获世界粉末冶金大会“杰出创新产品奖”,新型铝合金及其宽幅板材制备技术已在西南铝广泛应用,弹射卷筒式伸杆机构应用于“张衡一号”和“嫦娥四号”卫星。

  承担国家级重大项目/课题45项,其中主持973计划项目2项、重点研发计划项目2项;获国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖2项、省部级科技成果一等奖16项,何梁何利奖1项,主持制定ASTM国际标准1项、国家标准2项。

  5)材料基因工程技术及应用

  材料基因工程是材料领域的“颠覆性前沿技术”。针对材料研发周期长、成本高的痼疾,基于材料基因工程理念,建设了国际领先的材料计算平台,发展了基于机器学习、数据挖掘与效能方程的材料优化设计方法,高效研发出新型高性能结构材料、生物材料和催化材料,创建出集高通量计算、异构数据自动采集和挖掘为一体的材料基因工程专用数据库。基于材料基因工程的方法,解决了环境腐蚀数据匮乏、耐蚀性评价周期长的瓶颈问题,实现了耐蚀新材料在鞍钢、首钢等企业的高效设计,并在中泰高铁、印尼高铁和中马友谊大桥等“一带一路”重大工程中应用。

  获批“国家材料腐蚀与防护科学数据中心”和“北京材料基因工程高精尖创新中心”。承担国家级重大项目/课题40项,其中主持973计划项目1项、863计划项目2项、重点研发计划项目4项;理论成果发表在Nature等期刊上;获国家科技进步二等奖1项、省部级科技成果一等奖8项。

  三、人才队伍

  实验室现有固定人员95人,其中研究人员82人、技术人员8人、管理人员5人。研究人员中院士5人,973首席4人、国家杰青9人、长江学者12人、国家特聘专家5人、万人计划领军人才3人、百千万人才7人、“四青”人才10人。学术带头人葛昌纯、谢建新、张跃、毛新平、刘焕明、吕昭平、曲选辉等在相关领域有广泛的学术影响力。拥有国家基金委创新群体、科技部创新团队、国防科技创新团队、教育部长江创新团队等10余个创新团队。

  40岁以下研究骨干27人(占33%)。他们近五年发表学术论文636篇,包括以第一/通讯作者在Nature、Science发表论文4篇;获科技成果奖励37项,其中国家自然科学二等奖2项、国家技术发明二等奖3项、国家科技进步二等奖2项、省部级科技成果一等奖15项。现有在站博士后72人,在读博士生512人、硕士生1108人。

  四、科研条件平台

  实验室形成了较完整的材料模拟与设计、制备与合成、结构表征、性能测试、服役评价等全链条、系统的研究实验平台。拥有多相流环境结构材料试验装置、极端/多因素耦合环境结构材料试验装置等大科学装置,国家材料腐蚀与防护科学数据中心、国家材料自然环境腐蚀野外台站、高效轧制国家工程研究中心、北京材料基因工程高精尖创新中心和国防科工局关键军用金属材料基础研究平台等国家级、省部级平台24个。拥有3个“111”创新引智基地。近五年承担基金委国家重大科研仪器研制项目3项,搭建了多场耦合下材料多尺度结构/微结构原位测量与表征等科研平台。

  五、国内协作单位及产学研结合情况

  长期以来,实验室围绕国民经济建设和行业发展的重大需求,在基础原材料、先进制造、航空航天、新能源、电子信息、现代交通和国防军工等领域开展了深入实质性的产学研合作。与宝武集团、鞍钢集团、中铝集团、中国重燃、中广核、中国空间技术研究院、中国钢研科技集团和有研科技集团等大型央企建立了产学研用协同创新和高层次人才培养的长效合作机制,有力推进了人才、技术和成果的转移转化。近五年,实现专利技术或专有技术转让150项,企业合作经费4.3亿元,取得显著的经济、社会和国防效益。

  六、国际合作与交流

  以“北京材料基因工程高精尖创新中心”以及3个“111创新引智基地”为重要的国际合作交流特色基地,承担国家科技部重大国际合作、重点研发计划国际合作、国家自然基金委重大国际合作项目等20余项,合作研究经费7460万元。与美国麻省理工学院、橡树岭国家实验室、德国马普研究所、英国牛津大学、剑桥大学、东京大学、日本东北大学等30余个国际一流研究机构密切合作,引进40余位国际一流学者。国际合作效果显著,在Nature、Science等国际著名期刊发表论文150余篇。承办、组织重要国际学术会议36次,担任国际学术会议主席45人次,在国际学术大会上做Plenary报告15人次、特邀报告106人次,38人次在国际期刊与学术组织任职。

  七、地位和影响

  实验室是北京科技大学材料科学与工程学科的核心支撑单位。该学科是首批国家重点学科、双一流建设学科,在教育部历次学科评估中名列前茅,世界ESI排名前1‰。先进钢铁材料、前沿金属材料、材料腐蚀与防护、材料基因工程等学科方向处于国际一流、国内领先地位。

  拥有一支在国内外有重要学术影响的研究队伍。60余人次兼任国际学术机构理事长/秘书长/理事/委员等职务;50余人次兼任国家级专家委员会/咨询委员会/专家组的副主任/委员/组长、一级学会的理事长/副理事长/常务理事;16人次担任国内外学术期刊主编/副主编。