《教育时报》头版报道我校资源材料学科建设
13.10.2020 17:35
本文来源: 郑州大学
“小材大用”，创新筑牢科技进步基石—— 走进家门口的“双一流”系列报道②
本报记者 杜帅鹏 苏刚
10月6日，中国载人航天工程传出好消息：中国空间站2022年将完成在轨建造计划。在之后的航天飞行任务中，航天员要长期在轨驻留。而让许多人没有想到的是，与此相关的一项重要科研任务——空间长期驻留航天员头盔面窗，也就是2008年神舟七号航天员翟志刚出舱所佩戴头盔面窗的“升级版”的研制，已在我省开展，承担这项重任的就是郑州大学材料科学与工程学院，他们也是郑州大学“双一流”建设学科——资源材料学科的建设者。
不仅是神舟飞船航天面窗，还有和谐号高铁列车的灯罩，甚至手机里的集成电路板材料、生活中的LED灯背板，大到国之重器，小到与民生息息相关的“小物件”，都凝聚着郑州大学资源材料学科的研究成果。“小材料”发挥“大作用”，近日，记者走进郑州大学材料科学与工程学院，亲身感受“双一流”建设以来资源材料学科所取得的丰硕成果。
聚焦尖端科技，推进自主创新，服务国家战略需要
“我国自主研发的第一款航天面窗出自郑州大学！”郑州大学学科与重点建设处处长刘春太回忆起2008年的情形时，仍然难掩兴奋与激动。为了探索宇宙奥秘，航天员必须穿着选用特殊材料、特殊工艺、特殊技术加工的航天服进行太空飞行和出舱活动。航天面窗组件是宇航员在外太空活动时观察外界的窗口，可以说是宇航员的“眼睛”，它不仅要给宇航员提供一个清晰、良好的视野，也是航天员生命保障最关键的部件之一。
“首先，它要能承受太空极端的温度环境。由于没有空气传热和散热，受阳光直接照射的一面可产生100℃以上的高温，而背阴的一面温度则可低至-100℃以下，航天面窗要承受极端的热胀冷缩而不出现任何问题。”刘春太说，“其次，航天面窗必须是零缺陷的，由于太空中是零大气压，任何缺陷都会使航天员暴露在太空中，并将面临失压、缺氧、低温和辐射损伤四大危险。再次，航天面窗要能阻隔太空辐射。没有了大气层的保护，宇航员会受到更强烈的辐射伤害。除此之外，航天员还可能遭遇具有足够高动能的空间碎片的冲击。”
在没有任何经验借鉴的情况下，郑州大学国家橡塑模具研究工程中心团队经过夜以继日的艰苦奋战，历经数百次实验，攻克了一道又一道技术难关，终于研制成功。“河南籍航天员刘洋、陈冬就是戴着我们研制的航天面窗遨游了太空！”刘春太说。空间站的建立为我们新一代航天面窗的研制提出了更大的挑战，研制航天员空间长期驻留的航天面窗目前正在进行中。
不仅自主创新，材料科学与工程学院还勇于填补空白，不让外国人“卡脖子”。近年来我国平板显示面板产业快速发展，产能已居世界第一，其中所需最重要的就是ITO。 ITO是氧化铟锡的简称，是平板显示面板背后的一层“涂装”。ITO涂装先被制作成标准尺寸的固体靶材，由磁控溅射高速撞击，将其气化溅镀到材料上。
然而，就是这样一块材料，我们一度被国外“卡脖子”。“前几年国内TFT-LCD、OLED 等所需的高端ITO靶材几乎全部依赖进口！”谈到ITO靶材的发展状况，郑州大学材料科学与工程学院执行院长陈静波语气中带着些许痛心。据介绍，我国ITO靶材每年消耗量超过1000吨，而高端部分全部依赖进口，从供应量到价格，处处仰人鼻息，这与我国铟资源大国地位和快速发展的平板显示产业现状极不相称，“国外原料一涨价，国内企业就亏损”。
不能被别人“卡脖子”！围绕ITO靶材制备，郑州大学材料科学与工程学院院长何季麟院士带领团队先后发明了硝酸/硫酸混溶协控纳米氧化铟粉末粒度（形）等一系列关键技术，全面突破性解决了高性能ITO靶材全流程性关键技术难题，形成了完整自主技术体系。“现在不仅仅是靶材制作，而且从原料冶炼到产品制备，郑大掌握了所有的关键技术，我们所实现的突破是链条性的！”陈静波说。
在郑州大学的技术支持下，我省目前建成了完善的ITO靶材研发平台和生产线，生产的ITO靶材在国内首次成功应用于京东方高世代TFT线，完全可替代进口，解决了关键技术及制造“卡脖子”的问题；为国家节省了大量外汇的同时，间接效益年销售额达47.4亿元人民币！
在资源材料学科相关成果展台前，材料科学与工程学院教授刘民英拿起一节稍显磨损的尼龙制品，向记者自豪地介绍：“这是一节应用于列车车厢连接处的定位衬套，整整使用了5年，只磨损了十几个丝的厚度。要知道，它的工作环境是在动辄百余节的内燃机车车厢连接点，其压力可想而知。”如今，这节小小的定位衬套已经走出省内，广泛地被应用于内燃机车、高铁、磁悬浮列车上，而它的核心技术，就是基于郑州大学材料团队所开发的“尼龙1212”。此外，耐热尼龙、半芳香尼龙、高流动性尼龙、激光烧结3D打印尼龙粉末、有机硅尼龙、尼龙热熔胶等数十个展品静静地躺在各自的展位上，每个展品背后，都有郑州大学材料人日复一日的努力。
坚持需求导向，推进成果转化，促进区域经济发展
“河南是资源材料产业大省（GDP 占比29％）。有色金属储量全国第一，煤炭全国第四，耐火材料、超硬材料产业技术水平和市场占有率均位居全国首位。但资源材料产业面临的能耗高、污染重，产品低端、竞争力缺乏，资源短缺等问题，是河南乃至中西部地区转型发展的重大挑战。”陈静波说。
围绕产业转型发展急需，郑州大学材料科学与工程学院在河南省资源与材料工业技术研究院构架下增设铝冶炼、铝工业固废循环利用、镁冶炼、高端新型铜合金板带材加工、新型低维隔热耐火材料等10个建设方向，完成了科研团队组建、科研资金筹措（先后投入约1亿元人民币）和科研装备等资源配置的“特区”式实施推进工作。
“目前已有电解能量流智能优化控制与余热回收利用、铝工业固废循环利用、短流程镁冶金、新型无定形纳米隔热耐火材料等7项研究成果走出校门，与产业建立了扎实合作关系，形成了包括工业实验、产业化生产转化和技术支持性企业合作等多种形式的协作纽带，对产业和区域经济社会发展的支撑能力不断提升。”陈静波说。耐火材料团队还与偃师市三合绝热科技有限公司开展合作，开发低维隔热耐火材料材料，并实现产业化，给三合公司带来较好的经济效益，并给用户带来较好的节能效果和经济效益。
“金刚石作为超硬材料在石油钻探、精密加工等领域发挥了重要作用，被称为现代工业的‘牙齿’。1963年，我国第一颗人造金刚石在河南诞生，目前河南是国家唯一的超硬材料产业化基地，产量占全国80％以上。”郑州大学材料科学与工程学院副院长王海龙说。但是，河南相关产业主要集中在价值链低端，高端产品匮乏，亟待突破。而高纯度金刚石材料被英国等国际巨头垄断，对我国限运甚至禁运。“我们针对此问题展开研究，开发出高纯度金刚石及两英寸光学级金刚石晶体的合成工艺，实现杂质浓度ppb（浓度单位，百万分之一）量级金刚石单晶，打破了国际垄断，为我国下一代超强X射线光源及超强激光与物质相互作用实验提供了合格金刚石样品。”王海龙话语中难掩喜悦。
做强教师队伍，做精学生培养，培育一流科创人才
繁花满园离不开人才，一切成果终要回归教学、应用于育人。学院对学科团队的教师队伍建设可谓不遗余力。
“学校聘任中国工程院院士何季麟担任我们材料科学与工程学院院长。资源材料学科重点建设的四个研究方向均由学术大咖担纲学术带头人：中国工程院院士刘炯天主持矿物加工及材料化研究，何季麟院士主持材料设计与绿色冶金研究，中国科学院院士申长雨主持材料先进成型与模具技术研究，国家杰出青年基金获得者单崇新教授主持耐火及超硬材料研究。”陈静波说。
“双一流”建设期内，材料科学与工程学院培养和引进长江学者特聘教授等高层次人才共10人、学科特聘教授23人，引进青年拔尖人才20人，拔尖博士71人，师资博士后25人，40岁以下教师比例超过一半，教师队伍结构优化大大优化。
学院还特别重视青年教师的培养，青年教师张佳楠就是其中的代表。2010年从吉林大学毕业入职郑州大学材料科学与工程学院以来，张佳楠一直致力于“新型碳基功能型材料的设计与能量转化”的研究。“2014年，学校为了培育一批国家级青年人才，拿出专项经费资助校内优秀青年教师，我幸运地成为其中的一员。”张佳楠对此感触颇深，虽然只有30万元经费，但对自己、对青年教师的科研教学事业，却是莫大的鼓励和肯定。之后，张佳楠在教学和科研方面不断产出成果，她本人更是入选2019年教育部“长江学者青年奖励计划”，获得4项国家自然科学基金，并荣获河南省科技成果一等奖。
正是在优秀人才资源的持续支撑下，资源材料学科的科研创新能力和社会服务能力显著提升。一流学科建设以来，该院获批国家重点研发项目19项，承担国家自然科学基金面上及青年项目共140余项，在国际知名刊物发表研究论文1200余篇，荣获省部级科技奖项17项，新增绿色选冶与加工国家地方联合工程中心等国家级平台5个。
为推进本研协同、科教融合，培养高素质人才，材料科学与工程学院推行了“三级创新人才培养体系”建设：通过文献综述训练，提升了本科生对专业的认知，增强了其专业认同和学习主动性；通过创新实验，锻炼了本科生的科研能力，选育了一批有创新意识和能力的学生；通过参加创新创业竞赛，培养了本科生的团队精神和学术诚信，丰富了创新教育成果。
此外，材料学院还不断完善校—企、校—院、校—校协同育人机制，发展特色研究生项目。以校企产学研合作项目为牵引，切实提升学生解决重大工程问题和重大技术难题的实践能力，使得学生未出校，对专业实践中的问题就已轻车熟路。
“常有人将材料科学比作科技进步的基石，尤其是在全球科研竞争异常激烈的今天，其重要意义更为凸显。”陈静波说，“在下一步的一流学科建设中，我们将建立新时代学科、科研、人才培养三位一体的本硕博贯通式人才培养模式，强力推进引进与培养高层次人才，还要加大对国家重大急需‘卡脖子’关键材料和国际前沿新材料方面的投入，努力实现高水平研究成果不断线……”
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