憑借著世界第一的高鐵運營里程和速度，中國高鐵的實力得到國際社會的認可，已然成為一張亮麗的“中國名片”。

一路發展到今天，中國高鐵在見證了民族的滄桑巨變的同時，也見證了我國科研人員在背后的不懈探索。

城市軌道交通的車輛實現牽引和電制動功能需要依靠牽引電動機。但在21世紀初期，我國進口一臺牽引電動機需要花費十幾萬美元，而現在通過自主研發生產，一臺電機的價格僅需十幾萬元人民幣。生產成本的直線下降，關鍵在于高速軌道交通用銅合金這一材料的成功開發。

這一成果，來自中南大學材料科學與工程學院的研究團隊。作為國內有色金屬和冶金工程最強的院校之一，圍繞“走出去、講出來、幫上前”這一理念，中南大學在打通產學研“最后一公里”上探索出獨特的道路。

“中國制造業實現‘跟跑’和‘并跑’已經很不容易了，如果還要實現‘領跑’，缺乏基礎研究積累顯然是辦不到的。所以必須從兩頭發力，一頭是滿足應用場景提出的對于高性能材料的新需求，另一頭是需要有龐大的基礎研究理論的積累。”中南大學材料科學與工程學院院長李周教授對新材料在線說道。

01

研發高性能銅合金引領電機革新

銅材料在中國的發展有著數千年的歷史，但是近代以來，用于工業的銅合金卻未能趕上時代步伐。隨著工業進步，銅合金的應用越來越廣泛，對于國民經濟關聯度一度達到80%以上，但由于銅資源的匱乏，銅加工技術未能得到重視，應用被國外掣肘。

正如20世紀90年代末，我國電動機主要依賴進口，技術的封鎖也讓國內生產的銅及銅合金找不到在應用和驗證的機會，導致性能普遍較低，都不能用于大功率異步牽引電動機，嚴重制約我國重大工程實施。因此開發高強、高導、耐熱的經濟實用的銅合金材料迫在眉睫。

中南大學在有色金屬與粉末冶金領域有著70多年的歷史沉淀。新中國成立初期，國家就將武漢大學、中山大學等6所院校的礦冶類學科組建成中南礦冶學院，并開設國內最早之一的金屬工藝系，攻克了人造衛星、長征系列火箭、神舟、高鐵、大飛機等諸多國家重大科研所需的關鍵材料。

以國家重大需求為己任，銅合金的開發責無旁貸的落在中南人的身上。

1999年，中南大學材料科學與工程系尹志民、汪明樸教授牽頭了一個科研項目：大功率異步牽引電動機轉子關鍵材料的研究工作。

轉子通常由導體和磁性材料組成，包括導條、端環和護環。純銅由于具有優良的導電性、導熱性、耐蝕性及良好的加工性能，非常適合制作功率較小、轉速較低的電機的導條和端環。不過，純銅的弊端在于強度較低，同時純銅在高溫下的抗軟化能力低。

作為軌道交通牽引動力的電動機，隨著功率的增大，轉速的提高，車速的加快，以及環境溫度的升高，純銅顯然已經不能滿足使用要求。

為解決我國高速軌道交通的急需，結合中南大學特有的有色金屬材料研究積累，以及對應用場景的綜合分析梳理，尹志民、汪明樸教授帶領團隊提出了一種具有較高的機械強度、高導電和耐高溫軟化性能的高性能銅合金可用于轉子關鍵部件的制造。

“但材料的研發及走上生產線，都不是一件容易的事情”，回想起當年的研發經歷，李周教授感慨道。

當時，在材料設計過程中，電阻率、耐熱性能、電阻溫度系數的調控都屬于材料設計的一部分，但由于不同元素具有不同的功能特性。“材料設計的過程看似簡單，但實際上需要我們在實驗室里通過無數次的測試才能達到目的。”

此外，受限于當時的制備條件，團隊在制作導條的過程中遇到了一些困難。由于學校沒有擠壓機，團隊不得不借助湖南漣源的宏源機械廠的擠壓機進行實驗。由于機械廠自身還擁有生產任務和成本考核壓力，科研團隊經常在凌晨1點等待廠家完成生產任務后才能進行實驗。無數個日日夜夜，師生們吃在試制車間，睡在試制車間。

辛勤的付出和不懈的努力終于換來了成功的喜悅。尹志民、汪明樸教授帶領團隊最終成功研發出高性能銅合金并在銅合金研究所實現了中試生產。

2000年，由株洲廠和株洲所聯合研制出時速200公里的交流機車“藍箭”竣工時，團隊研發的高性能銅合金就被應用于其中。

高速軌道交通用銅合金研究與應用開發的成功，也打破了國外的技術壟斷。我國的電動機也從依賴進口逐步走向自主生產。

此后，高性能銅合金成為我國軌道交通新型動力———大功率異步牽引電動機的關鍵材料，并成功應用于我國廣深高速鐵路、廣州、上海、南京、北京、武漢等多座城市的地鐵、輕軌等重大工程中。

“從材料的制備到最后的產品，有著很長的鴻溝，是幾代人一起攻關，才把它實現的。”李周教授感慨地說道。

02

從需求出發，不斷推動高性能銅合金的研究

“實現成果落地，將研究選題與產業化有機結合十分關鍵。從本科生開始，我們就鼓勵學生進入到科研團隊，展開研究，通過實際的研究打牢基本功；有很多企業與我們進行合作，幫助企業攻克技術難題，并借機建立起對產業需求的系統認知。”李周教授對新材料在線介紹道。

正如高性能銅合金的研發案例，李周教授得出結論：從事科研工作需充分考慮科研團隊的特點，從需求端出發，緊密結合實際應用場景進行攻關。

銅及銅合金加工材作為人類最早使用的金屬材料，因其高導電性、高導熱性和耐腐蝕性的物理屬性和綜合性能而在多個領域得到廣泛應用。但純銅強度較低，且在高溫下抗軟化能力較弱。如何在保持銅高導電、高導熱的固有特性的同時，提高其強度，并開發出其他功能，一直是李周教授團隊努力的目標。

著重于高性能銅合金的設計、制備加工、相變機理、強化機制、導電機制和應力松弛機理等的研究，李周教授所在團隊提出了高強、高彈、高導銅合金的設計原理和方法，并發展了高強高導時效強化銅合金、高強高導彌散強化銅合金、高抗應力松弛彈性銅合金、抗變色及耐蝕銅合金、超高強耐磨銅合金以及上述高性能銅合金的先進制備技術。

從實際需求出發，中南大學高性能銅合金團隊先后成功研制納米彌散強化銅合金，由于具有優良的力學、導電、導熱、氣密性以及良好的抗高溫軟化能力，應用于“神舟”系列飛船；研制的超高強導電彈性銅合金滿足了導航系統用關鍵材料的需求。開發的系列高性能銅合金及其制備技術在國內大型銅加工企業實施。

復合材料在今后高性能銅合金的進步中逐漸占據重要地位。“復合材料的獨特之處在于能夠將不同材料的性能整合到一個體系中，實現性能的綜合和提升。這種糅合的過程使得材料的結構特性和功能特性得以放大”李周教授說道。

談及產學研順利結合的關鍵，李周教授認為：“基礎研究和學科建設是原動力，產學研的工作必須從基礎研究開始。”

當前，中國制造業要實現從“跟跑”到“并跑”再到“領跑”，如果缺乏針對產業或核心體系的大量基礎研究的積累，就無法實現“領跑”。要實現領跑，必須從兩頭發力，一要有新應用場景的開拓，二要從基礎理論進行突破。

在高性能銅合金的研發過程中，“沒有原始積累，就不可能有這樣一個源源不斷新型銅合金的發展”李周教授表示。

以電氣化軌道交通裝備中負責電能轉換的核心部件——IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）芯片為例。IGBT被稱為電力電子裝置的“CPU”，它是電動車混動系統和電驅系統等關鍵部件的核心設備，直接影響著車輛電機的動力輸出。

從2004年引進高鐵列車開始，每年中國的高鐵列車都需要進口約十萬個IGBT模塊，價值超過人民幣12億元。

當前，該芯片制造用的陶瓷覆銅板就主要依賴進口，因為其在制造過程中面臨著焊接工藝等挑戰。高壓IGBT模塊一般以標準焊接式封裝為主，原理上，在高溫環境下焊接，要求DBC陶瓷覆銅板焊接后晶粒不能夠長大等，否則會影響焊接質量。

“但如何通過設計銅合金或者純銅材料，在高溫下讓其晶粒長不大，就牽涉到很多基礎研究”，其中包括晶界結構調控、痕量元素晶界偏聚行為及其對晶界遷移的阻礙機制等，“因此基礎研究至關重要，沒有基礎理論的指導和支撐，很難產生突破和創新”李周教授說道。

除此之外，科研成果的轉化作為產學研的“最后一公里”同樣至關重要。

中南大學一直致力于推動科研成果的落地，材料學院積極落實學校的相關要求部署，堅持“走出去、講出來、幫上前”，近5年來，已成功轉化成果的合同經費達到3億元。

李周教授介紹，所謂“走出去”，是指主動與各類企業對接，將學院老師的研究特點、方向和研究成果進行交流，讓企業了解學院的技術成果、技術儲備和研究方向等，從而建立起良好的合作關系。“講出來”則是要求老師積極參學術會議的同時，也要積極參加產業界的會議中，通過分享研究成果和技術，讓更多人知悉了解學院的科研實力和科研成果。而“幫上前”則是在解決企業遇到的問題時，主動提供幫助，通過技術轉讓、合作開發等方式，將團隊的技術切入到企業中去，從而實現科研成果的有效轉化。“通過這些措施，既解決了企業的問題，又將成果轉化為新產品，實現了雙贏。”李周教授表示。