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颗粒硅工艺迭代 推进光伏发电迈向零碳时代

宁夏发布2021年认定的第二批高新技术企业备案公示名单,因首次实现颗粒硅在大尺寸热场中试验成功,同时掌握了在业内最先进炉型中使用颗粒硅的技术,宁夏协鑫晶体科技发展有限公司(以下简称宁夏协鑫)上榜。   统计显示,宁夏作为我国富煤省区之一,2019年经济总量不到全国0.4%,能耗和碳排放占比却达1.6%,碳排放强度全国最大、人均碳排放量全国第二。   “我们不断强化技术创新,推进工艺迭代,最终形成产业核心竞争力,拿到了这一官方权威认证,这将对宁夏如期实现碳达峰、碳中和目标产生积极促进作用。”宁夏协鑫生产总监王思锋说。   光伏新材料创造二氧化碳当量最低纪录   “煤炭是宁夏能源消费和碳排放的主要来源。而‘十四五’期间要创建减碳零碳体系,首先离不开光伏、风能等可再生能源领域新材料的发展。”宁夏清洁发展机制环保服务中心总工程师、副研究员柳杨说。   位于黄河之滨中卫市的宁夏协鑫,就是一家专业致力于光伏新材料研发和生产的上游企业。   直径只有2毫米左右、一袋10公斤装的颗粒硅,看起来更像真空包装的小绿豆。别看它们个头小,与传统的西门子法生产的棒状硅相比,具有多个技术优势。   西门子法生产的棒状硅在使用时,需要将其人工破碎后再向炉内装填,不仅有引入杂质的风险,且人工破碎会出现不规则的情况,填装过程中也容易卡料,导致生产被迫中止。“颗粒硅完全不存在这个问题。它的流动性非常好,而且纯度高、体积密度大、使用成本低,能使自动化生产变得可控。”王思锋说。   最重要的是,颗粒硅可有效助力“双碳”目标的实现。据计算,相较西门子法生产的棒状硅,在生产过程中使用同体量的颗粒硅,二氧化碳排放量可降低74%左右,整体能耗可降低65%—70%。   “继2021年5月领到国内颗粒硅方面首张碳足迹证书后,2021年10月底,我们又取得了由法国国家能源署颁发的协鑫FBR颗粒硅产品碳足迹认证证书。”王思锋说,证书显示,每生产1000克颗粒硅的碳足迹数值仅为37.000千克二氧化碳当量,大大刷新了德国瓦克公司此前创下的每千克碳化硅57.559千克二氧化碳当量的全球最低纪录。   可解决光伏行业能耗和绿色发展难题   “宁夏协鑫下大力气研发推广颗粒硅,为的就是解决光伏行业能耗和绿色发展难题,加快推进光伏发电从平价时代迈向低价时代和零碳时代。”王思锋指出。   为让下游客户尽快批量应用颗粒硅,宁夏协鑫控股公司——江苏中能硅业科技发展有限公司(以下简称江苏中能)大胆将具有自主知识产权的颗粒硅产品交予宁夏协鑫先行先试。   试用过程中,宁夏协鑫研发团队与江苏中能保持零时空沟通,生成了大量实用数据,助力颗粒硅品质不断改进提升。团队采用相应的二次加料器及加料工艺进行不同颗粒硅投料比例验证,针对4种不同炉型,逐步摸索出一整套行之有效的生产工艺。   通过使用颗粒硅,宁夏协鑫生产经营中各项关键性指标持续向好。与去年同期相比,生产成本下降7.7%,营业收入增加81%。   小小颗粒硅生动诠释了一个道理:要想实现“双碳”目标,科技创新与工艺迭代是不二法宝。   据介绍,宁夏计划到2035年实现主要污染物排放强度达到全国平均水平,碳排放达峰后稳中有降,目前2030年前碳排放达峰行动方案的编制工作已经启动。   然而不争的现实是,作为欠发达地区,宁夏尚处于工业化和城镇化快速发展阶段,产业发展依然依赖高碳产业结构。此情此景下,实现“双碳”目标,任务艰巨。   “必须依靠科技创新,做好战略谋划,确定重点领域,才能兼顾经济社会可持续发展。”宁夏科技厅副厅长陈放指出,希望颗粒硅新工艺能够有力推动宁夏重点行业和区域相关碳减排政策举措研究,推动宁夏经济、能源、产业结构低碳转型升级。

2022-01-20  (点击量:5)

洋浦石化新材料院士工作站 为海南油气产业创新发展“加油”

“课题研究要关心上下游,推进项目后路要通畅,原料要落实!”在1月9日召开的海南洋浦石化新材料院士工作站2021年度工作会议上,中国工程院院士王基铭在课题项目负责人作报告时见缝插针,一针见血地指出问题关键所在。   院士工作站是各地柔性引才的重要平台。成立还不到一年的洋浦石化新材料院士工作站,发挥平台优势,汇聚高端智力,在对接海南地方特色产业、助推经济高质量发展方面,无疑具有代表性。   当日会议采用线上+线下相结合方式召开,主会场设在洋浦院士工作站,同时设置北京中国石化工程建设公司(SEI)、大连石化研究院、上海石化研究院、华东理工大学等10个分会场。海南省政协副主席李国梁,儋州市委副书记、洋浦工委副书记、管委会主任周军平等作为地方党政代表,在会场提出多条具体需求;院士工作站团队王基铭、曹湘洪、袁晴棠、孙丽丽、郭旭升、孙焕泉6位中国工程院院士和19名核心专家等,则针对课题报告、产业创新发展,以及院士工作站带动地方和企业的项目实施、基地建设、人才培养的一体化,推进科技合作的组织化、制度化、长效化等,给予思路和建议。   记者了解到,洋浦石化新材料院士工作站自2021年3月成立以来,围绕推动海南炼化一体化高质量发展、统筹推进百万吨乙烯工程项目建设、谋划洋浦石化新材料产业发展等关键问题,为海南炼化公司一体化优化升级提供咨询服务,为洋浦石化新材料产业绿色化、智能化发展出谋划策,研究确定了11项重点课题。目前,“海南炼化乙烯和芳烃原料优化咨询”“在建百万吨乙烯项目工程优化咨询”“海南炼化智能化发展战略研究”3项课题先后结题。在强化产学研合作方面,取得显著效果,比如,备受关注的海南炼化在建百万吨乙烯项目工程快速推进,有望今年9月投料试车;原料优化工程也即将审批立项。   此外,该工作站积极协同洋浦经济开发区开展石化新材料产业招商引资工作,去年在上海举行海南自贸港洋浦经济开发区新材料产业推介会,吸引了包括来自中国石化、中国中化、上海华谊、SABIC(沙特基础工业公司)、朗盛、霍尼韦尔等国内外知名石化企业在内的近50家单位116位嘉宾参加。海南自由贸易港洋浦石化园区的影响力和知名度在国内得以显著提升。   “洋浦经济发展、产业转型升级与院士工作站作用发挥密不可分。”海南省科技厅二级巡视员王贤表示,希望通过对洋浦石化新材料院士工作站组织有效、学风严谨等经验作法的推广,推动全省院士专家工作站持续健康发展。   王贤介绍,根据海南省委省政府要求和《海南省以超常规手段打赢科技创新翻身仗三年行动方案(2021—2023年)》,科技厅将加大对院士工作站支持和服务力度,切实发挥院士在重点产业战略咨询、科技创新能力提升、人才培养方面的重要作用。

2022-01-20  (点击量:5)

为不同关键核心技术“量身订制”攻关路径

习近平总书记曾多次提出,“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”“要加强原创性、引领性科技攻关,坚决打赢关键核心技术攻坚战”。能否掌握关键核心技术事关我国产业链、供应链安全,事关我国科技水平和国际竞争力,事关新时期我国科技经济发展的主动权,必须要加强关键核心技术攻关路径设计。由于关键核心技术门类多,各自存在很大差别,因此要对不同类型的关键核心技术分类施策,更好达到预期目标。   对不同类型的关键核心技术分类施策   关键核心技术由于技术特征不同,攻关路径存在很大差别,可从关键核心技术的“市场价值”和“技术集成度”两个维度出发,将关键核心技术分为4类,不同类别采用不同的攻关路径。   第一,对于高市场价值、低技术集成度的关键核心技术要着力培养龙头企业,强化技术生态建设。此类技术攻关要以龙头企业为主,协同推进以龙头企业为中心的生态建设。要坚持市场导向,更多以市场手段如采用政府合同采购、产业基金支持等方式,激励龙头企业进行关键核心技术攻关,同时,要支持龙头企业联合上下游和用户形成产业联盟,尤其是在工业软件、操作系统等领域,要形成围绕该产品的技术和服务生态。   第二,对于高市场价值、高技术集成度的关键核心技术要发挥新型举国体制优势,以系统带动零部件共同发展。此类关键核心技术系统性、集成性强,且技术更新换代相对较慢,后进入者赶超机会较大。要发挥新型举国体制优势,以大企业为主体和平台、以商品为导向,联动相关零部件、材料中小企业供应商,以及相关高校科研院所形成创新联合体。通过对该类技术的攻关,掌握相关基础型和通用型技术,实现产业链自主可控。   第三,对于低市场价值、低技术集成度的关键核心技术要积极发挥“专精特新”企业作用。重点发挥民营中小企业运转灵活、专注细分领域的特点,积极引导民营企业参与此类关键核心技术攻关。一方面,以大企业为带动,吸引产业链中小企业参与关键零部件和元器件的研究开发;另一方面就产业共性技术和关键零部件设立相关科技创新项目,吸引有条件、有基础的企业参与,或以合同采购的方式,支持相关企业开展关键核心技术和产品的研发。   第四,对于低市场价值、高技术集成度的关键核心技术要继续强化组织机制创新,加强产学研共同合作。可借鉴我国“两弹一星”“探月工程”等实践经验,对涉及我国重大科技进步,以及国家战略安全的重大工程、项目,从国家层面进行系统规划和长远安排,加强统一领导。进一步探索完善体制机制,激发科研人员创新活力,发挥我国国有企业战略服从、民营企业战略配合的体制优势,推动关键核心技术成功攻关。   多点发力推进关键核心技术攻关   推进关键核心技术攻关是个系统工程,应从以下几个方面重点发力。   一是强化对关键核心技术攻关的长期支持。关键核心技术研发周期长、风险大,技术的构成越来越复杂,涉及领域越来越广泛。必须横下一条心,下大决心攻克和掌握关键核心技术,掌握竞争和发展的主动权。加大对关键核心技术的高强度和持续性投入,做好关键核心技术攻关的长期奋斗准备。要坚持关键核心技术攻关的战略一致性和政策一贯性,不能追求短平快的眼前效益,要规避其他可能干扰攻关进程的非技术因素。   二是充分发挥政府的关键用户作用。我国关键核心技术攻关要充分利用国内超大规模市场优势,支持关键核心技术的率先应用。要多采用政府采购和多元化商业合同等支持方式。对于面向国内外消费市场的关键核心技术产品,要广泛动员国企、事业单位和党政机关的力量,加大采购力度,尤其要精准落实对中小企业创新产品的采购政策,保障产品进入市场初期的利润,给予企业充分空间进行技术改进与产品升级,要坚定不移地以采购形式保护受到国外产品冲击的自主创新产品。   三是积极构建关键核心技术的产业生态。一方面要推动实现关键核心技术的产业群体性突破,以重要基础性、通用型技术为抓手,发展基于共同技术根基的产业群。另一方面要推动关键核心技术攻关的用户导向,吸引用户参与关键核心技术攻关,为关键核心技术产品进入市场做好充分准备。此外,还应加快推动我国自主创新产品基于国内市场的标准制定,推动我国关键核心技术快速形成规模市场效应。   四是加强企业发展基础性政策制定。关键核心技术攻关需要动员各种所有制、各种体量的企业广泛参与。要制定宏观稳定的企业发展政策,营造公平公正的市场环境,破除不同所有制、不同规模企业面临的体制机制障碍。加强放管服改革,减少为企业设计的“帽子”“名头”,避免由于“帽子”“名头”造成的更大的不公平,给企业带来科技创新之外的负担。减少科技专项、技术中心等对企业人员职称、固定资产的限制,为民营中小企业提供更多机会。深化要素市场化改革政策体系,塑造良好的知识产权申请和维权制度体系,促进攻克关键核心技术的企业大量涌现。   (作者单位:中国国际经济交流中心创新发展研究所)

2022-01-20  (点击量:5)

融合多环节、多部门数据 助制造业智能转型

智能制造已经成为国内制造业转型发展的必然趋势。我国作为世界制造生产大国,智能制造已成为未来制造业发展的重大趋势和核心内容,也是加快发展方式转变,促进工业向中高端迈进、建设制造强国的重要举措,更是新常态下打造新的国际竞争优势的必然选择。   “十三五”以来,随着我国政府相关扶持政策的出台,加上制造业智能化进程的推进,我国智能制造产业现今呈现出高速发展的态势,成为推动全球制造产业升级不容忽视的角色。   2015年,工业和信息化部启动实施的“智能制造试点示范专项行动”,在全国范围内遴选出了46个智能制造试点示范项目,涉及38个行业、21个地区。这些项目直接切入制造业的关键环节,旨在充分调动企业的积极性,通过点上突破,形成有效的经验与模式,在制造业各个领域加以推广与应用。   在近日江苏省苏州市举办的“数字新生”2022制造业钉峰会上,相关专家指出,推进智能制造是一项复杂而庞大的系统工程,也是一件新生事物。目前,由于区域技术发展不够平衡,致使信息化水平发展参差不齐,特别是标准化程度还很低。这就需要一个不断探索、实践的过程,既不能一蹴而就,也不能急于求成。现在,一些地方存在只求数量,而忽视发展智能制造的质量和基础条件。   中国工程院院士李培根说:“发展智能制造,数据是基础,数据是血液。数据融合是制造企业降低生产成本、提高生产效率、带来实质性利润提升的关键。智能制造需要多环节、多部门的数据融合。”   阿里研究院副院长安筱鹏认为,数据融合一方面带来了人和设备、设备和设备之间的数据同频,即制造业的物理世界和数字世界的同频;另一方面带来业务系统之间的数据连通,解决了行业痛点。   安筱鹏介绍,制造企业中常见的设备维修、生产决策、产线优化、货物流转等场景的优化、提速,都需要生产、经营数据的同频。数据的同频可以让产线工人和企业管理人员在生产、经营过程中,依据实时数据不断调优。   2022年是“十四五”规划的第二年,我国制造业企业延续2021年数字化转型升级步伐,持续推进数字化、网络化、智能化创新应用,数字技术基础、产业链价值链掌控力等持续提升,一批服务平台推陈出新地发布针对制造行业的解决方案,以“码上制造”产品为制造行业专属底座,为制造业提供了一套可适配、易拓展的数字生产力工具。   值得关注的是,来自行业的数字创新,也正在反哺行业。制造企业正在用数字技术守护每一天的产线安全,服务数千家上下游伙伴的协同,而这也成了智能制造的重要部分。

2022-01-20  (点击量:5)

长春应用化学所制备出功能化聚烯烃热塑性弹性材料获进展

国内高端聚烯烃材料,尤其是聚烯烃弹性体材料的市场需求旺盛,并保持快速增长。开发高聚合活性、高共聚能力的烯烃聚合催化剂来制备聚烯烃弹性体材料,能够推动我国高端聚烯烃行业进入新阶段。 最近,基于前期对催化剂结构设计、合成、优化的探索与积累,中国科学院长春应用化学研究所研究员崔冬梅团队设计合成了一类限制几何构型的喹啉-亚甲基-芴基钪双烷基配合物。该催化剂在有机硼盐和烷基铝的活化下,温和条件下即可催化邻/间/对氟苯乙烯(o/m/pFS=SF)与乙烯(E)的共聚合,活性高达1.8×106gmolSc-1h-1,所得共聚物具有一个来自E-SF无规共聚链段的玻璃化转变温度(Tg=-22.2℃-5.1℃)和一个来自结晶性连续E-E链段的熔点(Tm=42.3℃-130.2℃),在室温下表现出热塑性弹性体(TPE)的性质,拉伸强度最高为39.5MPa,断裂伸长率为774%。将聚合物重复拉伸至300%的应变10次后,残余应变只有75%,表明E-SF共聚物具有优异的弹性恢复性能(如图)。E-SF共聚物优异的力学性能得益于其微相分离的形貌结构,E-E链段作为物理交联点,将柔性的E-SF链段连接成聚合物网络,赋予材料优异的强度和韧性。 DFT理论计算表明,配合物喹啉侧臂的电子效应和位阻作用在形成特殊序列结构的E-SF共聚物上起决定性作用:喹啉侧臂的弱吸电性增加了中心金属的Lewis酸性,提高乙烯聚合的活性,有利于形成连续的结晶性链段,由动力学控制;喹啉侧臂的位阻作用在一定程度上阻碍了体积较大的对氟苯乙烯插入,使其只能离散式地插入到聚合物主链上,不能连续插入,由热力学控制。 物序列结构的调控,高活性制备出力学性能优异的功能化聚烯烃热塑性弹性材料。相关研究成果在Angewandte Chemie International Edition上发表。研究工作得到国家自然科学基金的资助。

2022-01-20  (点击量:5)

宁波材料所在大尺寸超导氮化物单晶薄膜制备方面取得进展

与多晶薄膜材料不同,单晶薄膜材料具有长程有序的周期性原子结构。因此,单晶薄膜材料的缺陷更少,性能往往更优异(如更高的电子迁移率、更高的压电系数等),而且其具有可被实验观测的动量空间物理量(如电子的能带结构、元激发色散等),是电子信息、光学、凝聚态物理等领域的材料基础。而高品质、大尺寸单晶薄膜材料的可控制备是研制实用化集成光电子器件的前提。过渡金属氮化物(如氮化钛TiN、氮化钒VN等)是一类可应用在极端环境下的材料,在诸多领域具有广泛而重要的应用。由于具有优良的半导体、生物兼容性,优异的机械、化学与热稳定性,突出的超导和等离激元性能,其在超导量子信息和高温等离激元光子学领域的某些方面具有不可替代性。然而,作为一种难熔金属陶瓷,高品质、大尺寸过渡金属氮化物单晶薄膜的可控制备对生长温度、生长气压、生长气体、晶格匹配等各方面都提出了极高的要求,是相关领域长期以来的一项挑战。   中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进纳米材料与器件实验室量子功能材料团队曹彦伟研究员等近年来一直致力于高品质过渡金属氮化物单晶薄膜的制备及其物态调控研究。前期,他们自主研制了氮化物单晶薄膜生长专用的原子级溅射外延设备(专利ZL 202020835160.9,202011297238.7,202010512090.8,AIP Advances 10,055113(2020);ACS Photonics 8,847(2021)等)。近期,博士生毕佳畅、张如意助理研究员、曹彦伟研究员等,解决了TiN单晶薄膜大失配外延生长的难题(Phys.Rev.Mater.5,075201(2021)),成功在晶格失配高达~-15.4%的YAlO3衬底上实现了高质量TiN单晶薄膜的外延。与高俊华副研究员、曹鸿涛研究员等合作开展了椭偏光谱测量,表明该大失配外延薄膜仍然具有优异的等离激元性能,该工作对构建氮化物-氧化物混合光电子器件提供了新思路。论文链接:https://journals.aps.org/prmaterials/pdf/10.1103/PhysRevMaterials.5.075201。   最近,在上述基础上,张如意助理研究员、博士生毕佳畅、曹彦伟研究员等进一步克服了大尺寸单晶薄膜的制备难题,分别在晶圆级(2英寸)刚性(蓝宝石Al2O3)与柔性(氟晶云母F-mica)衬底上实现了TiN单晶薄膜的制备与物态调控。由于具有较大的刚性,块体无机功能材料通常在弯折下会产生显著裂纹,但是将无机功能薄膜材料沉积在柔性衬底上可以获得良好的柔性。然而,柔性衬底一般为有机材料,其存在结晶程度低、晶格不匹配、不耐受高温的缺点,无法满足柔性TiN薄膜外延的要求。他们将单晶二维层状材料——氟晶云母(F-mica)替代有机材料作为柔性衬底,实现了大尺寸柔性TiN单晶薄膜的制备(如图1a所示)。通过与中科院物理所博士生李欣岩、张庆华副研究员、谷林研究员合作,利用扫描透射电镜表征原子尺度下TiN/F-mica薄膜结构,表明薄膜具有良好单晶性质。通过与纳米实验室曹鸿涛研究员合作,利用椭偏光谱表征薄膜光学性质,结果表明该柔性TiN薄膜具有与刚性TiN薄膜可比拟的优异等离激元性能(如图1b所示)。进一步,他们发现通过弯曲薄膜施加的应变可以调控TiN的超导转变温度(5.2~5.3K),表现为面内拉伸应变可增强超导转变温度(如图1b所示)。通过与中科院海洋新材料与应用技术重点实验室黄良锋研究员合作开展第一性原理计算,结果表明应变可以调控TiN单晶薄膜中电子-声子耦合强度,从而改变超导转变温度(如图1c所示)。该研究工作为构建高性能柔性光电子与柔性超导量子器件奠定了材料基础。相关研究成果发表在ACS Appl.Mater.Interfaces,2021,论文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.1c18278。   本研究工作得到国家自然科学基金(11874058、52025025、52072400、U2032126、12004399)、浙江省自然科学基金、宁波市重大科技专项(2018B10060)等项目的支持。

2021-12-28  (点击量:56)

不是晶体也不是非晶体 次晶态金刚石这样“诞生”

围绕在我们身边的固体物质,无论是尘埃沙砾还是金属宝石,其本质都是由原子在空间中堆积而成的。而根据原子的堆积是否有序,固体物质又可以被划分为晶体和非晶体。我们通常认为,在晶体材料中原子的排布均匀且规则,而非晶体的原子排列呈现出普遍的无序性。   近日,北京高压科学研究中心研究员缑慧阳等在高温高压条件下合成了一种新形态的金刚石——次晶态金刚石。该项成果的问世在结构拓扑上链接了非晶态和晶态,对于揭示非晶材料复杂的结构本质具有深远意义。   该研究成果在线发表于权威学术期刊《自然》杂志。   在晶体与非晶体之间   围绕在我们身边的固体物质,无论是尘埃沙砾还是金属宝石,其本质都是由原子在空间中堆积而成的。而根据原子的堆积是否有序,固体物质又可以被划分为晶体和非晶体。在晶体中,原子在三维空间上具有特定的堆积次序,其晶体结构可以用一个小的结构单元周期性表达。且在宏观视角下,我们无法分辨出其中的不连续性,因此我们通常认为,在晶体材料中原子的排布是均匀且规则的。同时,这也使得晶体材料的各个部分具有相同的物理、化学性质。   而与此相对,非晶体材料中的原子则缺乏长程的周期性排列,仅存在着短程有序性,即每个原子只在小范围内与其临近的原子在排列上呈现出一定的规则性。因此从宏观上观察,其原子排列呈现出普遍的无序性。而这种非晶体在结构上的差异,也直接导致其在力、声、光、电、磁、热等各方面材料性能上表现出极大不同。我们日常随处可见的玻璃便是最典型的非晶体材料之一。   缑慧阳表示,传统意义上一般将原子在0—0.5纳米直径范围内呈现出的有序性称为短程有序,0.5—2.0纳米范围内呈现出的有序性称为中程有序,大于2.0纳米的则称为长程有序。但他也提到,在实际的工作中,更常采用的方法是以有序配位壳层的数量来定义空间有序性,这是考虑到不同材料之间由于键长等差异导致的空间尺寸差异。   然而物质世界变幻无穷。研究人员发现,当温度升高时,晶体中的长程有序性会显著降低,逐渐向短程有序过渡,此时理解两种状态之间的差别变得异常困难。   那么对固体,尤其是强共价和类共价固体来说,在长程有序和短程有序之间,是否存在着一种中间态?为了探索这一结构之谜,理论科学家们提出了一种“次晶态”结构模型。“1930年以来,次晶态的概念偶尔出现在科学界,1950年德国霍斯曼教授基于一些软物质的发现,提出次晶态作为独立于晶体和非晶体的一种状态。”缑慧阳说,该概念在1980年前后逐渐被推广到聚合物、胶体、生物材料,甚至一些熔融态金属和合金、玻璃中。然而,在共价键合和类共价键合的材料中,科学家们却一直未能在自然界或实验室中发现这种完全由中程有序的次晶组成,而又不具有长程有序性的物质状态。尽管其曾经在半导体材料硅中提出过,但含量只有不到18%,而对于同族的金刚石来说,则一直没有相关研究涉及,更没有实验现象和证据。   处理后的富勒烯“不负众望”   但科学界不是没有过尝试。自次晶态概念被提出后,科学家们一直试图将这一状态从理论概念拓宽到各种各样的物质中。   缑慧阳介绍,2017年北京高压科学研究中心研究员曾徵丹等便曾利用金刚石对顶压机结合激光加热技术,成功在40—50吉帕和1800开尔文的压强、温度条件下合成出非晶态金刚石,然而极高的压强限制了合成样品的尺寸。该项成果成功地确定了sp3键合的非晶金刚石的真实存在,并且能够将其保留下来。   而且,科学界与工业界已经掌握了制备纳米级金刚石的技术,且纳米金刚石在各个领域得到了非常广泛的应用,具有广泛的实用价值。基于这样的研究背景,缑慧阳团队决定利用当下最先进的大腔体高温高压技术,突破传统大体积压机的压力范围,进行30吉帕以上压强的毫米级样品的研究。   缑慧阳和团队选取了不同特点的前驱物,分别是富勒烯、玻璃碳和洋葱碳,旨在探索不同前驱物在高压下的结构及微结构的转变过程和路径。和预想中的一样,研究团队在30吉帕压强下,1800开尔文以上的高温范围内,观察到了纳米金刚石的形成。但是只有富勒烯在30吉帕和1500—1600开尔文的压强、温度条件下出现了能够保留到常压的、具有中程有序的非晶金刚石,这是此前从未有过的发现。   但仅是发现还不够,要想对其进行深入细致的研究,还要求研究者能够对这种截留的具有中程有序的非晶金刚石进行详细的结构表征和模型构建。于是,缑慧阳及其合作者通过X射线、对关联函数、谱学、透射电镜等方法对其结构与微结构进行表征,并采用先进的大尺度分子动力学模拟对其进行详细对比和模型构建,最终将其识别确定为次晶态金刚石。这种结构的金刚石本质上是在非晶基体中引入纳米尺寸的中程有序结构。其发现不仅使研究者深入理解了这种特殊的金刚石,掌握了其独特性,更是填补了非晶结构和晶体结构之间原子排列尺度上的缺失环节,为深层次理解非晶材料的复杂结构提供了密钥。   三个因素协调是关键   缑慧阳认为,此次能够成功合成次晶态金刚石,原因除了非晶金刚石自身具有更高的短程有序性外,还取决于三方面的决定性因素,即对于前驱物的选择、适宜的压力与温度以及对保温时间的控制。   在前驱物的选择上,缑慧阳团队选择了碳的三种同素异形体分别进行尝试,并最终在富勒烯上成功取得突破。富勒烯化学式为C60,由于每个分子中包含60个碳原子,并呈现出12个五边形所组成的球状,也被形象地称为足球烯。   缑慧阳向记者分析道,在高压的作用下,C60分子间的聚合作用为形成高密度的sp3键合提供了均匀的形核点,这使得在较低的压力和温度下形成sp3含量接近100%的非晶金刚石成为可能。而30吉帕甚至更高的压力则有助于提高形核的密度,再配合以适当的温度,便能够促进sp2向sp3转变,并抑制其快速地结晶。随后,经过适当时间的等温退火,便可使得非晶金刚石中逐步、动态地出现大量次晶态。   同时,缑慧阳也表示,或许除了富勒烯外,其他两种前驱体也可能会在某个温压区间内生成纳米级次晶金刚石,但仅就目前其所探索的压强、温度、时间范围内,尚未捕捉到。因此他认为,发现并成功截留次晶这种亚稳状态的关键正是在于对压强、温度和时间的有效把控,只有实现三者的完美协调,才能取得理想中的结果。   另一方面,此次研究能够取得突破性进展,同样离不开大腔体高温高压技术的发展。根据缑慧阳介绍,大腔体压机技术目前已经相对成熟,但在常规的压力组装方式下,传统大腔体压机的压力极限一般为27吉帕。而北京高压科学研究中心的科研人员通过改变碳化钨压砧的几何形状和对一级压砧进行精确控制,将压力提升到了30—50吉帕。同时,缑慧阳团队还利用高质量的碳化钨压砧,不进行任何调整,优化组装方式,实现了2000摄氏度下毫米量级的30吉帕高压。   除了填补理论上的空白,次晶态金刚石的合成更具备广泛的应用价值。次晶态金刚石除了具有和普通晶体金刚石相当的力学性能以外,还有非常独特的可调节的光学性能。“这意味着次晶态金刚石可能会是一个极端条件下非常良好的窗口材料。”缑慧阳指出,由于次晶态金刚石具有非常宽的荧光峰和较高的热稳定性,预期未来将在包括生物医学等在内的多个领域产生更加广泛的应用。

2022-01-20  (点击量:5)

2025年我国将迈入制造强国第二阵列

2020年,面对错综复杂的国际环境和艰巨繁重的国内改革发展稳定任务,特别是在新冠肺炎疫情及中美贸易争端的严重冲击下,中国制造业经受住了巨大考验,实现了世界主要国家中制造强国发展指数最大增幅,充分彰显了体系完整优势。   5年间,中国制造强国发展指数由105.78增长到116.02。我国制造业总体趋势稳中向好,实现了市场快速响应,体现出对各类生产要素的强大动员组织能力,呈现出迎难而上、愈战愈勇的“韧性”,制造强国建设进程基本按照预期目标前进。   这是由中国工程院战略咨询中心、中国机械科学研究总院集团有限公司、国家工业信息安全发展研究中心近日发布的《2021中国制造强国发展指数报告》(以下简称《报告》)得出的最新结论。   “制造强国发展指数”自2015年起每年持续发布,已成为客观评价我国制造业整体水平的权威性指数。   发展不平衡不协调不充分的问题依然突出   《报告》显示,2020年,面对错综复杂的国际环境和艰巨繁重的国内改革发展稳定任务,特别是在新冠肺炎疫情及中美贸易争端的严重冲击下,中国制造业经受住了巨大考验,实现了世界主要国家中制造强国发展指数最大增幅,在中国、美国、德国、日本、英国、法国、韩国、巴西、印度9国对比中,充分彰显了体系完整优势:规模优势唯一稳增,质量效益基本稳定,创新动能活力提升,强基固本初见成效,绿色低碳践行有力。9个国家2020年制造强国发展指数排名及所处阵列相较2019年均未发生变化;同时,我国虽仍处于全球制造业第三阵列,但与第一、二阵列国家制造强国发展指数差距不断缩小,追赶步伐持续加快。   今年的制造强国指数首次提出中国制造“韧性”特征。对此,中国工程院院士、南京航空航天大学校长单忠德表示,我国制造业的强大韧性体现在以下几个方面:积极应对国内外多重严峻挑战,实现了市场快速响应,实现对各类生产要素的强大动员组织能力;产业体系完整,产品门类齐全,不断深度融入全球产业链各个环节;虽然受制于某些主客观原因出现了一些波动,但总体趋势稳中向好,取得了阶段性成果,从具体指标来看,2015—2020年,我国制造业增加值由20.03万亿元增长到26.60万亿元,年均增速5.84%;制造业增加值占全球比重由26.29%提高到28.61%,在世界各主要经济体中位居首位;连续11年成为全球货物贸易第一大出口国,制造业出口占全球比重由18.45%提升至18.70%,特别是2020年首次超过德国成为世界最大的机械设备出口国,制造大国地位进一步巩固。   中国工程院院士朱高峰指出,从预测结果看,2020年,中国制造强国发展指数已与日本的水平十分接近,顺承当前的发展态势,在国内外宏观经济环境不发生重大变化的前提下,按照既定计划继续大力推进制造强国战略,我国能够在2025年迈入全球制造强国第二阵列。但必须清醒地认识到,我国制造业的发展得益于完整工业体系优势、广阔市场优势等多重红利叠加,而“质量效益”分项数值对制造强国发展指数贡献率仍有待提升,全社会增长的研发投入经费并未重点流向制造业,我国制造业发展不平衡不协调不充分的问题依然突出。   中国制造业要着眼长远、抓好当前   单忠德建议,“十四五”期间,一是要着力扭转我国经济发展“脱实向虚”导致的要素价格扭曲和资源错配现象。二是要进一步强化国家战略科技力量,努力构建完善与中国制造业完整产业体系相匹配、满足制造业转型升级重大需求的创新体系,打造各类高能级创新平台,有效增强创新能力。三是要加快进行产业基础能力评估,开展共性技术、高端技术、前瞻技术的联合攻关,解决“下游不信任上游、上游找不到下游”的应用难题,不断夯实产业基础。四是要提升盈利能力,着力打造一批核心竞争力强、带动作用明显、具有国际影响力的大型综合企业集团,培育一批在细分领域掌握独门绝技的“专精特新”与“单项冠军”企业,加快培育优秀企业。五是要加快推进制造业节能降耗和绿色低碳转型,逐步建立以碳排放、污染物排放、能耗总量为依据的存量约束机制,着力降低资源消耗。六是要不断提高产品质量与可靠性,鼓励优秀制造企业“走出去”参与国际合作,全力打造知名品牌。   朱高峰强调,中国制造业要着眼长远、抓好当前,解决脱实向虚、市场、资金、观念、作风、决策机制、人才和结构等一系列外部和内部问题,坚定不移推进制造强国。

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