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李卫院士:砥砺奋进 打造世界级稀土“航母”

2017-04-28 16:37:35
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

有这样一位科学家,一直秉承“科技报国、服务社会”的使命,在探索研究稀土永磁新材料的道路上披荆斩棘、勇攀高峰,取得了一系列高水平的创新成果,为我国新材料事业的发展做出了突出贡献。他就是中国工程院院士、钢铁研究总院副总工程师、我国著名的稀土永磁材料专家李卫。

    当你听到“神舟系列飞船”、“探月工程”、“天宫一号”等代表尖端科技的热词时,你是否为我国航天事业的飞速发展而激动自豪;当你听到“天宫二号”与“神舟十一号飞船”对接成功的消息时,你是否为我们伟大祖国的辉煌崛起而热泪盈眶;当你目睹我国电机产业发生翻天覆地的变化时,你是否为祖国高科技发展而欢喜雀跃;当你……你是否想到这些高科技突飞猛进发展背后离不开一种重要材料的支撑--稀土永磁材料。稀土永磁材料是信息、能源等高技术和国防领域不可缺少的关键材料,在航天、通信、机电、仪器仪表、冶金、化工、量子工业等诸多领域有着广泛的应用。有这样一位科学家,一直秉承“科技报国、服务社会”的使命,在探索研究稀土永磁新材料的道路上披荆斩棘、勇攀高峰,取得了一系列高水平的创新成果,为我国新材料事业的发展做出了突出贡献。他就是中国工程院院士、钢铁研究总院副总工程师、我国著名的稀土永磁材料专家李卫。


    2017年4月19日,记者前往钢铁研究总院,感受这位睿智科学家的多彩人生。李院士学识渊博、谦逊儒雅、和蔼可亲。在他几十年呕心沥血的科研历程中,充满了对稀土永磁材料研究孜孜不懈地追求……

 

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李卫院士


   
坚守梦想   甘为祖国科技事业鞠躬尽瘁


    李院士的头衔很多,中国工程院院士、教授级高级工程师、博士生导师、第十届和第十二届全国政协委员、第十一届全国人大代表、全国“讲理想、比贡献”科技标兵、全国劳动模范等,但在他的心中,永远以作为一名普通的科技工作者感到自豪!用他自己的话说:“个人的理想要和祖国的需要保持一致。”


    我国不仅是稀土第一生产大国,也是第一出口大国。但在以前很长一段时间内,稀土产业“大而不强”是不争的事实。稀土永磁材料作为稀土材料最重要的应用领域之一,是工业和国防领域的重要支撑。李院士是该领域的领头人之一,也是我国高性能稀土永磁材料研究领域的开创者之一。


    他在初进钢铁研究总院工作时就选择了稀土永磁材料作为自己的主攻方向,经历了以实验室制备技术为主的第一阶段、实验室技术向工业化转化的第二阶段及以高档磁体和产业化关键技术开发为主线的第三阶段,使得我国高性能稀土永磁研究及产业从零开始至有关领域达到了世界领先水平。作为主要开拓者之一,他在该领域的每一阶段都做出了系统的、开创性的贡献!


    自参加工作后的30多年来,他一直坚守在稀土永磁新材料基础问题研究、工程化关键技术、新产品研发的第一线,呕心沥血、孜孜不倦地奉献着智慧和汗水,这一切都只为让我国稀土永磁材料能够“更上一层楼”。付出终有回报!如今,我国的稀土永磁材料部分领域达到了世界领先水平。


    其中,令他印象较为深刻的是49兆高奥磁体成果的取得。大家知道,钕铁硼永磁材料是上世纪80年代初才在国际上出现的一种高性能永磁材料,由于它在航天、通讯、机电、仪器仪表、冶金、化工、量子工业等诸多领域应用广泛,是现代科技社会中必不可少的工业材料,具有“磁王”之称。当时,年仅28岁的李卫就担起了国家“七五”重点攻关课题的重任,出任课题组长。凭着“初生牛犊不怕虎”的朝气和不服输的精神,他和团队成员没日没夜地泡在图书馆和实验室,经过反复设计实验方案及无数次的冶炼、磨粉、烧结,终于成功制备出最大磁能积达到49兆高奥的磁体,使得我国成为世界第二个获得45兆高奥以上磁体的国家。该成果被评为我国1989年冶金十大科技成就之一,并获国家“七五”科技攻关重大成果奖和国家科技进步一等奖。该项成果为他今后的科研轨迹奠定基础,也是我国成为稀土永磁材料科技大国的起点。


    此后的多年,他一直坚守在科研一线,孜孜不倦地带领着团队攻克一个又一个的科研难关。主持和主研了30多项国家攻关、863重点、973、国家自然基金重点、国际合作和军工配套等项目工程。他的一系列重要研究成果带动了我国稀土永磁产业的整体进步,并保证了国家重大工程如“神舟系列飞船”、“探月工程”、“天宫一号”等对永磁材料的需求,2013年他获得国防科工局颁发的“探月工程三期关键技术攻关和方案研制”优秀个人奖;除此之外,他还获得了包括中国工程院光华工程奖和科技进步一、二等奖以及国家发明三等奖在内的省部级以上奖励16项。还被评为全国劳动模范、全国归侨侨眷先进个人、国家有突出贡献中青年专家、全国冶金系统杰出科技青年、中国青年科技奖,并被选为人事部首批“重点资助优秀留学回国人员”和享受政府特殊津贴专家等。与此同时,他为国家培养了一批又一批磁性材料领域的高素质骨干人才。

 

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天宫一号与神舟十号成功实现自动交会对接

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嫦娥一号探月卫星

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   天宫二号


    近几年,他们针对国防和航空航天领域对稀土永磁材料的特殊要求来研发创新,形成五大系列十六个种类、近百种规格的新产品,其中许多都是我们国家独有且无法被取代的产品,满足了我们国家一些重点型号、重大工程对永磁材料的需求。


    回想这几十年的科研历程,李院士感慨道,一个科技工作者最高兴的事情就是自己的科研成果能够被推广应用,带动相关产业共同进步,为国家的强盛、国防现代化作出贡献。很高兴看到我国稀土永磁材料产业从无到有,从小到强,最终走上了世界先进水平行列!


   
当记者问及能否给年轻的科研学者提一些建议时,李院士谦虚地说,我只是众多科技工作者中的一员,能为祖国科技事业的发展出力是我们的本职工作。


    (1)不断学习。我们生活在互联网时代,新知识、新事物层出不穷,能适应这个多变时代的方法之一就是不断学习与提高,跟上时代的步伐,不断完善自我。企业要做学习型企业,科研人员更需善于学习。


    (2)善于从全局看问题。现代科技中,科研人员的研究越深入,研究的领域分工就越细,较细的专业分工,导致我们只注重局部、忽视整体,减弱了综合能力,也影响创新能力。因此,培养从全局看问题的能力,对科研人员的成长很关键。


    (3)要有实干精神。很多事情知易行难,关键要有行动。特别是应用型的科研工作中,有时理论有一定的指导作用,但很多情况下理论并不能解决实际的问题,需要我们去实验中发现新现象,总结新规律,提出新理论。这就需我们多下实验室,多去生产一线,在实际中发现问题,解决问题,不断提高自己。


    (4)要有团队精神。现代科研中个人的力量是渺小的,优秀的成果越来越依赖团队的力量。个人事业的成功与团队中同伴的支持、鼓励和帮助是密不可分的。优秀的团队就是我们个人成长的摇篮。


    (5)要有创新精神。提高自主创新能力,是建设创新型国家的核心,是提高综合国力的关键。作为国有企业的科技人员,要以创新精神投入工作,敢于创新,勇于创新,不断创新。创新是企业,也是国家对我们的要求。


    (6)要有奉献精神。科研是需要有奉献精神,更需有以奉献科研为乐的精神。当然,前提是兴趣和目标,兴趣是坚持的基础,目标是前进的动力。


   
披荆斩棘    迈向世界稀土永磁科技巅峰


    稀土永磁材料是世界公认的发展高新技术、国防尖端技术以及改造传统产业不可或缺的战略材料。在《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》(国发〔2010〕32号)提出发展的七大战略性新兴产业中,“稀土功能材料”被明确列入第(六)项“新材料产业”。


    李院士表示,稀土永磁材料是稀土的第一大应用材料,不仅被广泛应用于汽车、家电、电子仪表、电机和移动电话等民用产品,而且是电子通讯、电子干扰与对抗、雷达、精确制导与定位、空间站和人造卫星等国防、航天和尖端技术领域重要的基础材料。新能源汽车、高铁、磁悬浮列车、风力发电等对高性能稀土永磁材料的性能又提出了更高的指标要求;太空探索、电子对抗、微波通讯、船用动力、精确制导与导弹拦截等军事科技和尖端高科技领域的竞争也与稀土永磁的生产、研制和应用水平密切相关。稀土永磁材料是低碳经济和军事竞争的重要物质基础和保障,是各国优先发展的关键功能材料之一。


    各类风机、泵类用电机的耗电量占总发电量的三分之一左右。不管是风机、泵类、计算机、IT产业、机床、汽车还是家用电器等等,各种电机长时间、满负荷运行,不仅消耗了大量的能源,也使安全生产平稳运行的压力加大,现有电机的效率偏低。而永磁电机离不开作为其关键的稀土永磁材料。因此,新型稀土永磁材料及高效节能永磁电机(包括风能发电机),将对节约资源、保护环境、缓解能源供应紧张等都起到了积极的作用。


    经过多年的发展,我国已成为稀土永磁材料的生产大国,目前我国烧结钕铁硼的毛坯磁体产量已占全球的80%左右。十一五以来,我国稀土永磁材料的制备技术获得了长足的发展,其中包括采用速凝薄片、氢破碎、气流磨等技术手段降低了磁体的总稀土含量,较大幅度地提高了磁体的性能,同时降低了成本;采用多合金方法,既可以方便磁体性能设计,又能优化晶粒边界,也是提高磁体综合性能的有效手段之一;氧含量控制技术的广泛采用,使得磁体获得高的磁性能,同时控氧技术也是批量生产高稳定性和一致性的关键因素;双主相技术实现了铈磁体的批量制备,该类磁体磁性能已达到了市场上中档以上的性能水平,在保持良好磁性能的同时,大幅度降低了磁体的材料成本;Hcj(kOe)+(BH)max(MGOe)>75的高性能烧结钕铁硼磁体已实现批量制备;在常规的电镀、磷化和电泳的基础上,开发新的表面处理技术,得到了具有耐高低温冲击、绝缘、环保等功能和特性的防护涂/镀层,以适应烧结钕铁硼磁性器件的各种工作环境要求。


    从2009年到2016年我国稀土永磁材料的总产量仍维持高速增长,从2009年的57742吨到2016年的136000吨,年均增长10%左右。


   
李院士强调,虽然稀土钕铁硼永磁材料以其优异的磁性能和较高的性价比,自问世以来,迅速成为稀土永磁市场中的主导者,成为了稀土材料产业中的支柱。但与国外先进水平相比,在某些领域仍然存在较大的差距,应该从以下几个方面来取长补短。


    (1)突破障碍  自主创新


    重稀土被过度依赖。为了提高磁体的矫顽力和温度稳定性,通常要添加一定比例的重稀土铽、镝,混合动力汽车用磁钢中重稀土使用量占到稀土总量的25-30%。铽、镝的添加带来了两方面的问题。一是由于稀土元素分配极不平衡,铽镝价格昂贵,其大量应用对稀土资源的安全、经济、节约利用造成了很大障碍。我国稀土储量中,铽储量仅为钕的1/400,镝储量仅为钕的1/60,与镧、铈等量最大的轻稀土元素比就更加稀少了;二是在材料特性上,铽、镝进入晶粒内部会大幅降低材料的剩磁和磁能积,从而使磁体最重要的性能指标磁能积的发展受到限制。永磁体的发展历程清楚地表明,昂贵、供应不稳定的战略元素,最终会被更便宜、更易得的新添加元素替代,而磁能积的提高则是贯穿整个永磁体发展史的灵魂。重稀土的过度添加触及了两个永磁体发展的障碍性因素,势必要被科研者攻关。目前已有多种方案突破这个障碍,一是双主相技术,二是晶界扩散技术,三是晶粒细化技术,四是热压/热变形技术,另外还有稀土钴基磁体在高温应用中部分替代钕铁硼磁体等。


    (2)开拓创新  平衡资源


    稀土资源的利用极其不平衡。稀土永磁材料主要应用钕、镨、钐、镝、铽等元素,而储量丰富的高丰度稀土镧、铈等元素应用较少。而稀土矿中各种稀土元素是伴生的,钕、镨的大量应用,客观上造成了镧、铈的大量积压。由于


    La2Fe14B、Ce2Fe14B的各向异性场低,早期的研究表明,在钕铁硼中添加镧和铈会造成磁性能的急剧下降。如何在稀土永磁材料中有效应用高丰度的镧、铈,是关系到稀土行业可持续发展的关键问题。目前已开发出双硬磁相技术,解决了镧铈直接加入钕铁硼主相造成的磁性能急剧下降的问题;另外还在开发铈-钴基稀土磁体,有望获得具有较高磁性能的百分之百用高丰度稀土的实用磁体。


    (3)控制成本  稳定价格


    现有应用领域全面受到稀土价格剧烈波动的冲击,导致部分领域需求萎缩。在稀土价格最高的2011年,钕铁硼开工率不足50%。传统应用方面,钕铁硼永磁主要是以其轻薄短小且性价比高的优势得以替代铁氧体永磁,一旦稀土原料成本飙升至一定程度以上,下游很容易重新回归技术已十分成熟的铁氧体永磁市场。事实上,过去近30年的廉价稀土时代,钕铁硼永磁才替代了不到10%的铁氧体永磁市场,传统市场的渗透难度就可见一斑。而新应用领域方面受到的冲击也很明显,钕铁硼永磁在该领域的应用并不是不可替代。以风电为例,根据直驱风电的成本测算,1.5MW的风电直驱永磁电机的钕铁硼消耗量为1.3吨,该永磁电机的材料成本在2011年上半年上涨了4倍,疯涨的原材料成本迫使部分厂家停产了直驱,又恢复了双馈式机组。再以节能空调为例,2011年上半年,每匹空调的永磁材料成本由60多元上涨至200多元,由于空调涨价极难,利润大幅下滑,导致一些大型空调厂商对直流变频空调进行了原材料调整,钕铁硼材料被大范围替代。因此,可预见的、稳定的稀土原材料价格对于稀土永磁材料应用市场的健康发展具有重要意义。


    (4)全面发展  创新技术


    虽然我国也形成了一些有自己特色的技术,如应用双主相工艺制备的铈磁体已实现产业化生产,磁性能达到中档钕铁硼的水平,是具有中国特色的稀土资源的平衡利用技术。但是国内技术在磁体一致性、抗腐蚀能力、表面处理、钕铁硼的晶界扩散技术、热压磁环制备技术等方面,与发达国家还存在差距。


   
关于钕铁硼永磁材料防腐蚀研究发展,李院士也谈了几点看法和建议。


    李院士表示,钕铁硼磁体自产业化以来,其腐蚀与失效行为就备受关注,人们对其使用中的安全性和稳定性存在一些疑虑和担心。事实上,引起稀土永磁材料性能失效的原因很多,如温度,电磁场、辐照等物理原因对材料的原子、电子结构的影响而致失效,另外还有化学原因致使材料发生腐蚀失效。化学原因的腐蚀一方面是由于稀土元素钕化学活性高、易发生氧化;另一方面由于磁体的多相结构各相间电极电位差异较大,易发生电化学腐蚀。稀土永磁材料的腐蚀主要分为化学腐蚀和电化学腐蚀。针对腐蚀特点,通常可采用电镀、化学镀、喷涂、电泳、热浸镀、渗镀和物理气相沉积等。


    为提高钕铁硼磁体的抗腐蚀能力,可有两个途径:一是添加微量元素的方式提高钕铁硼磁体基体的抗腐蚀性能。例如在烧结钕铁硼材料内加入微量元素取代Fe,或者减少晶界上富稀土相而提高晶界的耐氧化腐蚀性能,来改善磁体的耐蚀性。二是采用合适的表面防护技术来提高其耐腐蚀性能。在我国稀土永磁产业快速发展以及稀土永磁应用快速推广时期,我国稀土永磁材料的表面防护技术的研究取得了长足的发展,为稀土永磁材料的可靠使用提供了支撑。


    在规模化生产中,电镀是在钕铁硼磁体表面制备技术防护膜的最常用工艺。电镀是将磁体工件作为阴极,利用外电流,将电镀溶液中的金属阳离子在磁体表面还原,形成金属镀层的过程。电镀工艺相对简单,成膜速度快,易于大批量生产。可工业生产中,镀层的质量和工艺稳定性还有待进一步的提高。另外,随着社会对环保的意识日益增强,电镀工艺过程中的三废处理成本在磁体总成本中所占比例急剧增长。因此针对钕铁硼磁体电镀工业,应重点发展低环境负荷、镀层无毒性的绿色工艺,开拓清洁生产工艺、物质循环利用、废水回收等方向。


    对于稀土永磁材料的表面防护技术研究,还有很重要的一点是建立一套切实可行的标准体系,对防护镀层的性能进行合理的评价。钕铁硼防护镀层的评价指标,主要分为耐腐蚀和力学两大类。耐腐蚀性指标是评价材料耐受各种化学介质腐蚀破坏能力的数据或趋势曲线,力学性能指标包括防护镀层与基体的结合力、镀层自身的硬度等,另外,表征防护镀层的还有镀层厚度、抗菌、耐磨、导电性能、摩擦系数等指标。可喜的是,对于这些指标的检测,在电工电子产品中已有成熟的国内和国际标准,这些标准可用于稀土永磁材料表面镀层的相关特性检测。


   
把握方向    未来稀土永磁材料日新月著


    在低碳经济席卷全球的大势之下,世界各国都把环境保护、低碳排放作为关键技术领域给予关注。我国将在2020年实现单位GDP二氧化碳排放量比2005年下降40~50%,这对我国在改善能源结构、发展再生能源、提高能源利用效率等方面提出了很高的要求,也为风力发电、新能源汽车、节能家电等低碳经济产业的发展提供了广阔的市场空间。


   
李院士强调,随着稀土永磁材料的应用日益广泛,以及国家对稀土资源合理利用的高度重视,稀土永磁材料会继续蓬勃发展。


    (1)对于烧结钕铁硼磁体,研发高磁能积、高矫顽力和低成本的磁体是发展的重要目标。在制备高矫顽力磁体方面,方法之一是如何将Dy、Tb等重稀土元素主要分布于晶粒表面层,优化主相晶粒边界,提高主相晶粒表层的磁晶各向异性场,使得在保持高磁能积的的条件下,提高内禀矫顽力;另外一种提高内禀矫顽力的方法是细化晶粒;以上两种方法还可结合应用,以达到最佳效果。


    (2)正如前面所说,如何解决稀土资源平衡利用问题,则发展富镧、铈的稀土磁体是重要的发展方向。稀土矿中,各种稀土都是伴生的,其中镧、铈的储量最大,但镧、铈的应用极少,造成镧、铈等轻稀土大量积压,为稀土资源的平衡利用以及稀土产业的可持续发展,大力发展富镧铈的稀土磁体是极其重要的。


    (3)热压/热变形钕铁硼磁体有望取得批量制备技术上的突破。热压/热变形钕铁硼磁体具有纳米量级晶粒,可以制备出无重稀土或少重稀土的高矫顽力磁体;应用热变形技术可制备出整体辐向磁环和多极磁环等特殊取向磁体;热压/热变形钕铁硼磁体的抗腐蚀性远好于烧结钕铁硼磁体。热压/热变形技术可以拓展钕铁硼磁体的应用领域。


    (4)粘结磁体方面,快淬磁粉的国产化是非常重要的问题;成本及耐腐性更优的钐铁氮磁体在大力研发中;HDDR处理的各向异性磁粉也已商品化。各向异性磁体的成型技术以及大直径薄壁环的制备技术等成型技术也需加大研发力度。


    (5)废旧磁体回收方面,随着稀土永磁材料的广泛应用,稀土回收再利用技术被认为是高效利用稀土的重要方式之一。


    (6)军用领域特别关注的高稳定稀土永磁材料制备技术。高精度惯导系统用的超低温度系数稀土磁体,超高使用温度钐钴磁体,雷达、电子对抗系统中的高可靠稀土磁体等都是急需发展的军用特种稀土磁体。


    后记:“辛勤耕耘结硕果,砥砺奋进铸大器”是李院士科研人生的写照。我们在感动于他的科研精神,吸取他的科研理念的同时,也应该努力拼搏、着手现在、放眼未来,期待有一天,在科研的道路上也能大放异彩!


   
人物简介


    李卫,男,1957年出生,1982年毕业于山东大学物理系磁学专业,稀土永磁材料专家,教授级高级工程师,博士生导师。历任钢铁研究总院稀土永磁材料研究室主任、功能材料研究所副所长,期间赴瑞典金属研究所工作任客座研究员,现任钢铁研究总院副总工程师。中国工程院院士。


    长期从事高性能稀土永磁新材料研究及产业化关键技术研发,获得了低温度系数、高磁能积钕铁硼永磁材料,特殊取向稀土永磁环和新型铈永磁体等多项核心技术创新成果,获得包括国家科技进步奖一等奖在内的五项国家级奖励和中国工程院光华工程奖。先后获得政府特殊津贴专家、中国青年科技奖、首批“重点资助优秀留学回国人员”、国家有突出贡献中青年专家、全国劳动模范等称号。

 

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