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“超导”:超出国际一流 导入中国精神——记中国工程院院士张平祥

发布时间:2021-04-16 来源:西部大开发杂志 人气:
   
  对张平祥感兴趣,源于媒体报道:
 
  在超导材料及稀有金属材料的基础研究、工艺技术及实用化的研究和发展作出了突出的贡献;
 
  取得的技术成果延伸应用于航空钛合金,解决了我国新型战机的结构材料“卡脖子”问题;
 
  在超导材料应用基础研究、超导材料工程化及产业化及超导技术推广应用上均有杰出的贡献和成就。
 
  由他担任董事长的公司是国内唯一低温超导线材商业化生产企业,也是目前全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业,为国产新型战斗机供应高端钛合金材料……登陆科创版首日,便取得了337.3%的最高涨幅,在全部25家首批企业中排名第二。
 
  太厉害了!
 
  上网一查,才知道超导是20世纪最重大的科学发现之一,指的是某些材料在温度降低到某一临界温度电阻突然消失的现象,具备这种特性的材料被称为超导体。超导材料在电力能源、高端医疗设备、轨道交通、大科学工程、军工等领域有着广泛的应用前景。
 
  少年英才志存高远 投身超导攻坚克难
 
  1981年,16岁的张平祥考入陕西师范大学物理系。20岁读研,师从我国“超导大师”周廉(超导材料领域首席科学家、中国工程院首批院士)攻读超导物理学,由此步入研究超导材料的探索之旅。
 
  超导现象的神秘、奇妙与这一领域广阔的发展前景,激发了他无限的求知欲。当理想成为信仰,前行的脚步就更有力量。尤其难能可贵的是,周廉老师特别善于发现和肯定张平祥身上的闪光点——不论是静水深流还是激情澎湃,他都会循循善诱,热心指导,帮助张平祥一路跨越关隘,攀援高峰。“那就是一位让我一心想成为的那种学者的样子,亲切而有力,纯然而犀利。既是一位长者,骨子里又透着年轻的气息,既让人心生敬意,又会让人盼着去接近他……”现在回忆起来,张平祥心里还是暖暖的:学术上的生命,都是老师给的。不过,正因为这种生命不是身体而是思想上的,所以才不会畏首畏尾,亦步亦趋。老师教着你、望着你必须做出成绩,他给你手艺,给你想法,给你见识,给你空间,给你他所能给予的一切,盯着你去追寻自己的一切。
 
  在这段时间里,张平祥如饥似渴地认真钻研超导专业理论和低温超导材料的合成技术,通过国外最新的研究资料掌握学科的前沿动态,在实验室取得了丰硕的成绩。
 
  1986年,张平祥顺利获得理学硕士学位。他主动要求留在西北有色金属研究院工作,继续从事有关超导材料的研究。当时的西北有色金属研究院地处秦岭山沟,生活条件十分艰苦。张平祥之所以作出这样的选择,是因为他看到这里是我国稀有金属材料的科研生产基地,这支优秀的研究团队在国内处于绝对领先的地位。当然,周廉院士也十分欣赏这个锐意进取、敢于拼搏的年轻人,亲自点将让他从事“高温”超导材料的课题研究,这为张平祥创造了施展才华的广阔天地。
 
  从1989年起,张平祥就参与了国家“863”超导攻关课题研究。在周廉院士的指导下,他创造性地钻研了熔化工艺中超导相形成的机理,首创“粉末熔化处理法”新工艺。在此基础上,制备了超导体材临界电流密度,创下当时国际最佳水平。被国外同行赞誉为“中国人自己的熔化工艺”。该成果1995年获国家授权发明专利,1999年荣获国家技术发明二等奖。紧接着,张平祥担任了国家“九五”重点超导攻关课题“高温超导电缆用铋系带材研制”项目组组长。为了圆满完成研究任务,他组织精干队伍查资料、搞调研、制定研究方案,对铋系超导体成相机理、加工技术及热处理等进行了扎实的基础性研究。通过改进关键工艺技术,张平祥带领科研团队首先在短样上取得了重要突破,他们研发的带材超导临界电流达到国内先进水平,为我国第一根高温超导电缆的成功研制做出了重要贡献。此后,张平祥领导的课题组又成功地制备了高质量的工程用超导长带,填补了国内相关领域的空白。在最富创造力的岁月里,张平祥又带领团队在铋系先驱粉末制备技术、线(带)材加工和热处理技术等方面取得了重要成果,其新研制的三批带材临界电流实现了我国带材的最高性能,与国际先进水平相当,为我国高温超导应用及高温超导材料产业化奠定了基础。
 
  关键时刻受命回国 一举打破国际垄断
 
  1994年,张平祥出国深造。在国外工作生活的几年,他亲眼看见了国外超导产业的发展成果和我国实用化的差距。让我国自主研发的超导材料走出实验室,实现产业化,成为张平祥的梦寐以求的目标。
 
  2003年1月,我国正式参加国际ITER计划谈判。如果能参与到这个计划中,也就证明了我国具备超导材料产业化的能力,同时又能快速提升产业化水平。
 
  ITER计划(国际热核聚变实验堆计划)是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划,是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,旨在利用核聚变产生的能量永久地解决人类能源危机。其核心装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克,俗称“人造太阳”。其中能够“约束”上亿摄氏度反应温度的关键,就在于使用超导线材制造聚变反应系统核心装置托克马克线圈。
 
  2003年2月18日,ITER(国际热核聚变实验堆)第八次政府间谈判会在俄罗斯圣彼得堡召开,会议上中国宣布作为全权独立成员加入ITER计划。当时,ITER 计划需要采用NbTi (铌钛)和Nb3Sn (铌锡)超导线材制造超导磁体,但当时我国还没有这两种超导线材生产能力。与此同时,我国正计划上新一代战机,因普通材料无法达到战机高损伤容限性的要求,超导材料之一的铌钛合金成为首选。铌钛合金是钛合金里面生产要求最严苛的一种,生产过程中,长达3万米、直径仅为头发丝1/10细的线材,中途不能有丝毫断裂。
 
  眼见时机成熟,时任西北有色金属研究院院长的“超导大师”——中国工程院院士周廉给正在海外深造的学生们拨去一个电话。
 
  “叫我们回来成立超导公司,目的就是要打破国外的超导垄断。”张平祥回忆说:“在研发方面,我们当时创造了几次世界纪录,我们的铌钛合金在国际上都受到同行的公认和赞许,但我们国家的产业化一直是零,所以我们一直有一个梦想,就是把我们创造的材料尽快产业化,让中国人用上自己的超导产品。”在“产业报国”的理想驱动下,张平祥、冯勇、刘向宏3位同门师兄弟,抛下国外优厚的工作、生活条件,相约归国。在ITER第八次政府间谈判会的10天后,2003 年2 月28 日,西部超导材料科技股份有限公司(简称西部超导)在西安经济技术开发区成立,控股股东为西北有色金属研究院,开始了ITER计划用NbTi和Nb3Sn超导线材的产业化。作为超导领域的知名专家,在这一重要的时间节点上,张平祥出任公司总经理。
 
  书生办厂,资金是他们遇到的第一个难题。因为之前国内从未有过超导材料产业化的尝试,没有人愿意投资。开弓没有回头箭!在生死存亡的危急时刻,张平祥和几位“铁杆”骨干动员员工集资拯救公司。核心团队七八个成员全部把房子抵押给银行贷款。短短一个星期,公司员工凑了1400万元,厂房得以顺利建设。在西安市及经开区的大力支持和帮助下,最初的一年多时间里,张平祥和他的团队一边推动企业建设,一边加速研发生产,攻坚克难、夜以继日,很快便研发出世界一流的稀有金属熔炼、锻造生产工艺,一举建成国际领先的钛合金铸锭生产线、钛合金棒丝材生产线。
 
  2004年11月,西部超导一期项目正式投产,标志着我国低温超导材料正式拉开了产业化的序幕。至此,中国拥有了国际化、专业化、具有自主知识产权的超导产业。
 
  超导专家张平祥,超出的是国际一流的技术水准,导入的是勇于拼搏、敢于胜利的中国精神!
 
  竭诚助力“人造太阳”  跻身国际一流团队
 
  一门学问要发展,一方面要保持住已有的优良传统,另一方面要不断更新,开拓新材料,发现新问题,提出新观点,创造新理论。
 
  2004年,西部超导公司接到了第一批国际订单——生产一批铌钛棒材。铌钛棒材是制备ITER计划核心装置所需超导线材的基础材料。突破这个瓶颈,才有希望参与“人造太阳”的联合攻关。但是,棒材生产出来以后,完全达不到工艺要求。经过反复地分析、论证,才将经典的实验室思维转化为现代产业思维。在实践中,张平祥敏锐地总结出一个规律:要想实现安全可控的聚变反应,需要借助超导材料神奇的“零电阻”效应构建稳定、强大的磁场“约束体”,这也是技术研发的关键所在。意识到了问题所在,张平祥带领团队立即重新更改技术参数,制定与之相适应的工艺操作流程,最终生产出了合格的产品。之后,他们又一路攻关,解决了困扰超导线材工程化应用多年的技术瓶颈,成为全球首家成功攻克国际热核反应聚变堆用超导线材导体设计和长线加工技术难关的供应商。
 
  2010年12月20日,西部超导参与“人造太阳”计划的梦想终于实现——中国国际核聚变能源计划执行中心代表国际ITER组织,与他们签署了总量约210吨的超导线供货合同,标志着由西部超导承担的ITER项目线材供货任务将正式进入实施阶段,也让“人造太阳”计划融入了“西安元素”。
 
  2011年,第一批铌钛线材样品下线。在ITER国际组织进行的对比测试中,鉴定委员会认为,张平祥团队制备的高性能超导线材综合性能达到国际领先水平。在ITER计划的带动下,西部超导成为目前国内唯一的低温超导线材商业化生产企业,全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业,保障了国家急需关键材料的供应。
 
  至此,我国实用超导产品技术水平和性能跻身世界一流。中国的超导产业后来居上,赶超了与西方国家30年的发展差距。
 
  超级导入科学智慧 致力造福人类工程
 
  以家国情怀、民族智慧、历史担当、全球视野和大国格局谋划科技创新,促使张平祥带领团队努力拓展造福人类、为国家服务的深度与广度,推动超导材料在更多领域创造价值。
 
  核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。与不可再生能源和常规清洁能源不同,聚变能具有资源无限、不污染环境、不产生高放射性核废料等优点,是人类未来能源的主导形式之一。凭借雄厚的科研实力,西部超导承接了法国工程堆需要超导线,2015年全部完成了ITER项目公司承担生产的材料订单。“法国这个国际热核聚变实验堆建完,我们就已经掌握中式规模堆的搭建,下一步我们要建一个比法国规模大而且更接近实用的工程堆,我们正在设计。”张平祥说。
 
  超导磁共振成像是现代医疗影像诊断最重要的手段之一,它能够在不损害健康的前提下,快速获得患者身体内部结构的高精确度立体图像,帮助筛查、确诊早期重大疾病。但是,高尺寸精度、高稳定超导线材制造技术长期被发达国家垄断,严重制约我国的普及和产业化发展,导致进口仪器价格居高不下,难以在国内医院大量普及。西北超导经过十多年的努力,突破了超导核磁共振成像仪用超导线材制造核心技术,解决了高均匀合金熔炼、导体结构设计、高尺寸精度线材加工等难题,研发出国内第一根具有完全自主知识产权的核磁共振成像仪用超导线材。该项目填补了国内空白,达到国际领先水平,荣获陕西省科学技术一等奖。在此基础上,西部超导进一步开展技术攻关,实现了超导核磁共振成像仪用铌钛超导线材的批量化生产,建成我国首条年产能400吨的核磁共振成像仪用超导线材生产线,相关产品已为美国通用电气、德国西门子等全球主要医疗影像设备供应商供货,占到全球市场份额的30%,使核磁共振医疗设备的进口价格降低50%。同时应用于中科院电工所、宁波健信等国内超导核磁共振成像仪系统研发。
 
  未来,西部超导还将实现300mm磁控直拉(MCZ)大尺寸单晶硅用超导磁体产业化,拓展超导磁体在舰船综合、磁悬浮列车、量子干涉、电力传输、污水处理等新领域的应用,积极发展超导量子干涉仪(SQUID)在地质灾害预报、探矿及心磁测量等领域的应用。
 
  森林里的巨树才是更高的大树,高原上的高峰才是更高的山峰。
 
  面向未来,张平祥的眼前浮现出歌德在《浮士德》中描述的动人景象:
 
  新的冲动将我召唤,
 
  我急忙追去,吸他永恒的光辉。
 
  我的前面是白昼,背后是夜晚,
 
  头上是天空,脚下是一片海波。
 
  张平祥,教授级高级工程师,西北有色金属研究院院长,兼任国家新材料产业发展专家咨询委员会委员、中国材料研究学会副理事长、超导材料技术委员会主任、中国有色学会副会长。

  张平祥获得全国杰出专业技术人才、新世纪百千万人才工程国家级人选、国务院政府特贴专家、国家万人计划百千万工程领军人才等荣誉。我国实用化超导材料学术带头人,在超导材料的应用基础研究、工程化和产业化方面,取得了一批国际领先的成果,发明多种核心制备技术,实现了我国超导材料及磁体产业化并跻身国际先进行列,填补了我国实用化超导材料的短板,解决了我国相关关键新材料“卡脖子”难题,有力支撑了国防装备和大科学装置的升级换代。他先后荣获国家技术发明奖二等奖2项、全国创新争先奖1项、省部级科技一等奖5项,获国家发明专利授权110项,发表SCI论文267篇,为我国超导材料科技进步与产业化发展作出了突出贡献。2019年当选中国工程院院士。
责任编辑:刘玉

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