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    国内重大突破!嘉善制出99.9992%超纯铁

    潮新闻 见习记者 李洁薇 共享联盟·嘉善 陈浩2024-06-21 07:21全网传播量3875
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    “铁的纯度高达99.9992%!”日前,经第三方检测,由上海大学(浙江)高端装备基础件材料研究院(简称上善院)、上海大学、河北龙凤山铸业有限公司、冶金经济研究发展中心联合组成的PI(纯铁)项目团队,成功制备出了纯度达到5N2的超纯铁。

    这一刻,PI项目团队等了很久。区熔专项组技术负责人上善院、上海大学教授徐闰难掩激动,和团队成员一起攻克5N超纯铁难题的日日夜夜,历历在目。

    什么是超纯铁?“我们按照杂质含量的不同,将铁分为纯铁(2N-3N,>99%)、高纯铁(4N,>99.99%)和超纯铁(5N,>99.999%),其提纯技术反应着一个国家的工业化发展水平。”徐闰介绍道。

    5N级超纯铁的制备是一块极难啃的硬骨头,长期以来仅有日本和美国在实验室制造出。与生铁和钢的性能不同,4N级以上的高纯铁和超纯铁具有优异的耐腐蚀性能、延展性能、热性能和导电性能等多种优势。“将5N级铁作为原材料使用,可以提高特种合金、高端特种钢、半导体和非晶等材料的性能和品质,从而促进航空航天、能源和半导体等产业的发展。也可以作为基础材料来研究铁的力学、磁学、电学和腐蚀基础物理和化学性能。”徐闰说。

    为了缩小国内纯铁纯度与发达国家间的差距,2020年,龙凤山铸业与上海大学/上善院院长董瀚教授制定出合作开发高纯铁和超纯铁新材料的科研方案,开始实施PI项目。其后,上海大学光电子材料与器件中心负责人王林军教授提出了区熔法提纯5N纯铁方案,并于2022年5月,经过几轮专家讨论会后启动了区熔子项目。

    为了成功制备5N超纯铁,设备必不可少。“在设备设计制造的过程中,我们起初对于提纯效果和所需工艺参数并不能准确预判。”徐闰回忆道,无论是所需合适的真空度范围、区熔过程的蒸发总损耗量,还是线圈的结构设计和排布,运动部件的稳定性等问题,每一个细节都需要实验的验证。因此,在未明确最终条件的前提下,他们必须将各种可能出现的极端情况纳入考量,这无疑使得设备设计制造工作变得复杂。

    这是一场“摸着石头过河”的探险。徐闰说,最头疼的时候,还要数设备夹持组件的精确对准环节。

    “如果对准的问题没有解决,那么设备就无法长距离准直运动,更别提生产出5N级别的超纯铁了。”徐闰解释道,同步性、准直性以及旋转过程中的同心性这三个关键细节,对最终工艺的精确度有着决定性的影响。因此,团队投入了三个月的时间,精心设计出合适的超真空环境下的传动装置。“解决了这些问题,我们这台设备的优点就显而易见了。”徐闰笑着说,设备的一大优势在于其工艺范围的广泛性,能够调整各种参数,从而便利地优化产品调整过程。

    还没来得及享受设备制成的喜悦,制铁工艺又成为了他们的“拦路虎”。

    5N级纯铁样品

    2023年的6月到8月,徐闰回忆,那段时间,工作到半夜是常态。“提纯效果不好,立马组织现场讨论会,经过仔细的数据分析,做出假设判断,推断出几种问题发生的可能性,并针对每种可能性提出解决方案。”经过数百次的尝试与摸索,他们不断地调整参数,在期盼和等待中制出了第一根5N级超纯铁。

    “接下来,董院长将指挥PI团队围绕超纯铁进行一系列的基础性能实验,并推动超纯铁的应用研究工作。”徐闰表示,目前,对于提高纯铁纯度的研究仍面临诸多挑战。针对目前所达到的5N级超纯铁,PI研究团队计划深入探索其在力学、磁学、电学、耐腐蚀性以及生物兼容性等方面的性质进行科学研究与应用开发。与此同时,PI团队的区熔小组也准备向下一个科研目标“极纯铁(6N级)和区熔单晶铁”发起挑战。

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