2020年10月9日《教育時報》頭版

“小材大用”，創新筑牢科技進步基石—— 走進家門口的“雙一流”系列報道②

本報記者 杜帥鵬 蘇剛

10月6日，中國載人航天工程傳出好消息：中國空間站2022年將完成在軌建造計劃。在之后的航天飛行任務中，航天員要長期在軌駐留。而讓許多人沒有想到的是，與此相關的一項重要科研任務——空間長期駐留航天員頭盔面窗，也就是2008年神舟七號航天員翟志剛出艙所佩戴頭盔面窗的“升級版”的研制，已在我省開展，承擔這項重任的就是鄭州大學材料科學與工程學院，他們也是鄭州大學“雙一流”建設學科——資源材料學科的建設者。

不僅是神舟飛船航天面窗，還有和諧號高鐵列車的燈罩，甚至手機里的集成電路板材料、生活中的LED燈背板，大到國之重器，小到與民生息息相關的“小物件”，都凝聚著鄭州大學資源材料學科的研究成果。“小材料”發揮“大作用”，近日，記者走進鄭州大學材料科學與工程學院，親身感受“雙一流”建設以來資源材料學科所取得的豐碩成果。

聚焦尖端科技，推進自主創新，服務國家戰略需要

“我國自主研發的第一款航天面窗出自鄭州大學！”鄭州大學學科與重點建設處處長劉春太回憶起2008年的情形時，仍然難掩興奮與激動。為了探索宇宙奧秘，航天員必須穿著選用特殊材料、特殊工藝、特殊技術加工的航天服進行太空飛行和出艙活動。航天面窗組件是宇航員在外太空活動時觀察外界的窗口，可以說是宇航員的“眼睛”，它不僅要給宇航員提供一個清晰、良好的視野，也是航天員生命保障最關鍵的部件之一。

“首先，它要能承受太空極端的溫度環境。由于沒有空氣傳熱和散熱，受陽光直接照射的一面可產生100℃以上的高溫，而背陰的一面溫度則可低至-100℃以下，航天面窗要承受極端的熱脹冷縮而不出現任何問題。”劉春太說，“其次，航天面窗必須是零缺陷的，由于太空中是零大氣壓，任何缺陷都會使航天員暴露在太空中，并將面臨失壓、缺氧、低溫和輻射損傷四大危險。再次，航天面窗要能阻隔太空輻射。沒有了大氣層的保護，宇航員會受到更強烈的輻射傷害。除此之外，航天員還可能遭遇具有足夠高動能的空間碎片的沖擊。”

在沒有任何經驗借鑒的情況下，鄭州大學國家橡塑模具研究工程中心團隊經過夜以繼日的艱苦奮戰，歷經數百次實驗，攻克了一道又一道技術難關，終于研制成功。“河南籍航天員劉洋、陳冬就是戴著我們研制的航天面窗遨游了太空！”劉春太說。空間站的建立為我們新一代航天面窗的研制提出了更大的挑戰，研制航天員空間長期駐留的航天面窗目前正在進行中。

不僅自主創新，材料科學與工程學院還勇于填補空白，不讓外國人“卡脖子”。近年來我國平板顯示面板產業快速發展，產能已居世界第一，其中所需最重要的就是ITO。 ITO是氧化銦錫的簡稱，是平板顯示面板背后的一層“涂裝”。ITO涂裝先被制作成標準尺寸的固體靶材，由磁控濺射高速撞擊，將其氣化濺鍍到材料上。

然而，就是這樣一塊材料，我們一度被國外“卡脖子”。“前幾年國內TFT-LCD、OLED 等所需的高端ITO靶材幾乎全部依賴進口！”談到ITO靶材的發展狀況，鄭州大學材料科學與工程學院執行院長陳靜波語氣中帶著些許痛心。據介紹，我國ITO靶材每年消耗量超過1000噸，而高端部分全部依賴進口，從供應量到價格，處處仰人鼻息，這與我國銦資源大國地位和快速發展的平板顯示產業現狀極不相稱，“國外原料一漲價，國內企業就虧損”。

不能被別人“卡脖子”！圍繞ITO靶材制備，鄭州大學材料科學與工程學院院長何季麟院士帶領團隊先后發明了硝酸/硫酸混溶協控納米氧化銦粉末粒度（形）等一系列關鍵技術，全面突破性解決了高性能ITO靶材全流程性關鍵技術難題，形成了完整自主技術體系。“現在不僅僅是靶材制作，而且從原料冶煉到產品制備，鄭大掌握了所有的關鍵技術，我們所實現的突破是鏈條性的！”陳靜波說。

在鄭州大學的技術支持下，我省目前建成了完善的ITO靶材研發平臺和生產線，生產的ITO靶材在國內首次成功應用于京東方高世代TFT線，完全可替代進口，解決了關鍵技術及制造“卡脖子”的問題；為國家節省了大量外匯的同時，間接效益年銷售額達47.4億元人民幣！

在資源材料學科相關成果展臺前，材料科學與工程學院教授劉民英拿起一節稍顯磨損的尼龍制品，向記者自豪地介紹：“這是一節應用于列車車廂連接處的定位襯套，整整使用了5年，只磨損了十幾個絲的厚度。要知道，它的工作環境是在動輒百余節的內燃機車車廂連接點，其壓力可想而知。”如今，這節小小的定位襯套已經走出省內，廣泛地被應用于內燃機車、高鐵、磁懸浮列車上，而它的核心技術，就是基于鄭州大學材料團隊所開發的“尼龍1212”。此外，耐熱尼龍、半芳香尼龍、高流動性尼龍、激光燒結3D打印尼龍粉末、有機硅尼龍、尼龍熱熔膠等數十個展品靜靜地躺在各自的展位上，每個展品背后，都有鄭州大學材料人日復一日的努力。

堅持需求導向，推進成果轉化，促進區域經濟發展

“河南是資源材料產業大省（GDP 占比29％）。有色金屬儲量全國第一，煤炭全國第四，耐火材料、超硬材料產業技術水平和市場占有率均位居全國首位。但資源材料產業面臨的能耗高、污染重，產品低端、競爭力缺乏，資源短缺等問題，是河南乃至中西部地區轉型發展的重大挑戰。”陳靜波說。

圍繞產業轉型發展急需，鄭州大學材料科學與工程學院在河南省資源與材料工業技術研究院構架下增設鋁冶煉、鋁工業固廢循環利用、鎂冶煉、高端新型銅合金板帶材加工、新型低維隔熱耐火材料等10個建設方向，完成了科研團隊組建、科研資金籌措（先后投入約1億元人民幣）和科研裝備等資源配置的“特區”式實施推進工作。

“目前已有電解能量流智能優化控制與余熱回收利用、鋁工業固廢循環利用、短流程鎂冶金、新型無定形納米隔熱耐火材料等7項研究成果走出校門，與產業建立了扎實合作關系，形成了包括工業實驗、產業化生產轉化和技術支持性企業合作等多種形式的協作紐帶，對產業和區域經濟社會發展的支撐能力不斷提升。”陳靜波說。耐火材料團隊還與偃師市三合絕熱科技有限公司開展合作，開發低維隔熱耐火材料材料，并實現產業化，給三合公司帶來較好的經濟效益，并給用戶帶來較好的節能效果和經濟效益。

“金剛石作為超硬材料在石油鉆探、精密加工等領域發揮了重要作用，被稱為現代工業的‘牙齒’。1963年，我國第一顆人造金剛石在河南誕生，目前河南是國家唯一的超硬材料產業化基地，產量占全國80％以上。”鄭州大學材料科學與工程學院副院長王海龍說。但是，河南相關產業主要集中在價值鏈低端，高端產品匱乏，亟待突破。而高純度金剛石材料被英國等國際巨頭壟斷，對我國限運甚至禁運。“我們針對此問題展開研究，開發出高純度金剛石及兩英寸光學級金剛石晶體的合成工藝，實現雜質濃度ppb（濃度單位，百萬分之一）量級金剛石單晶，打破了國際壟斷，為我國下一代超強X射線光源及超強激光與物質相互作用實驗提供了合格金剛石樣品。”王海龍話語中難掩喜悅。

做強教師隊伍，做精學生培養，培育一流科創人才

繁花滿園離不開人才，一切成果終要回歸教學、應用于育人。學院對學科團隊的教師隊伍建設可謂不遺余力。

“學校聘任中國工程院院士何季麟擔任我們材料科學與工程學院院長。資源材料學科重點建設的四個研究方向均由學術大咖擔綱學術帶頭人：中國工程院院士劉炯天主持礦物加工及材料化研究，何季麟院士主持材料設計與綠色冶金研究，中國科學院院士申長雨主持材料先進成型與模具技術研究，國家杰出青年基金獲得者單崇新教授主持耐火及超硬材料研究。”陳靜波說。

“雙一流”建設期內，材料科學與工程學院培養和引進長江學者特聘教授等高層次人才共10人、學科特聘教授23人，引進青年拔尖人才20人，拔尖博士71人，師資博士后25人，40歲以下教師比例超過一半，教師隊伍結構優化大大優化。

學院還特別重視青年教師的培養，青年教師張佳楠就是其中的代表。2010年從吉林大學畢業入職鄭州大學材料科學與工程學院以來，張佳楠一直致力于“新型碳基功能型材料的設計與能量轉化”的研究。“2014年，學校為了培育一批國家級青年人才，拿出專項經費資助校內優秀青年教師，我幸運地成為其中的一員。”張佳楠對此感觸頗深，雖然只有30萬元經費，但對自己、對青年教師的科研教學事業，卻是莫大的鼓勵和肯定。之后，張佳楠在教學和科研方面不斷產出成果，她本人更是入選2019年教育部“長江學者青年獎勵計劃”，獲得4項國家自然科學基金，并榮獲河南省科技成果一等獎。

正是在優秀人才資源的持續支撐下，資源材料學科的科研創新能力和社會服務能力顯著提升。一流學科建設以來，該院獲批國家重點研發項目19項，承擔國家自然科學基金面上及青年項目共140余項，在國際知名刊物發表研究論文1200余篇，榮獲省部級科技獎項17項，新增綠色選冶與加工國家地方聯合工程中心等國家級平臺5個。

為推進本研協同、科教融合，培養高素質人才，材料科學與工程學院推行了“三級創新人才培養體系”建設：通過文獻綜述訓練，提升了本科生對專業的認知，增強了其專業認同和學習主動性；通過創新實驗，鍛煉了本科生的科研能力，選育了一批有創新意識和能力的學生；通過參加創新創業競賽，培養了本科生的團隊精神和學術誠信，豐富了創新教育成果。

此外，材料學院還不斷完善校—企、校—院、校—校協同育人機制，發展特色研究生項目。以校企產學研合作項目為牽引，切實提升學生解決重大工程問題和重大技術難題的實踐能力，使得學生未出校，對專業實踐中的問題就已輕車熟路。

“常有人將材料科學比作科技進步的基石，尤其是在全球科研競爭異常激烈的今天，其重要意義更為凸顯。”陳靜波說，“在下一步的一流學科建設中，我們將建立新時代學科、科研、人才培養三位一體的本碩博貫通式人才培養模式，強力推進引進與培養高層次人才，還要加大對國家重大急需‘卡脖子’關鍵材料和國際前沿新材料方面的投入，努力實現高水平研究成果不斷線……”

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