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香港商报丨吕冬博士专访丨用先进材料点亮产业协作之光

作者:研究院 来源: 日期:2017-04-10 浏览:862次

编者按

有种材料,拿起来像塑料一样轻薄,实际上却如金属一般强硬——这就是我院先进材料研发部总监吕冬博士团队所研发的先进材料,如今已是航空航天、新能源汽车、无人系统等海陆空各领域争相抢用的宠儿……

跟着香港商报的报道,一起来听听吕冬博士的故事!

 

 

 

吕冬博士与导师吴景深教授

 


在茫茫的海平面上,无人船在惊涛骇浪中自主工作;在戈壁大漠深处,无人机在按指令有序运行……随着科技的不断进步,机器人代替人类在恶劣环境中工作已经成为现实。

 
然而,这些无人设备有两大“痛点”:自重大、材料强度不足;导致使用寿命短,应用成本高,难以大规模应用推广。


一种新型碳纤维复合材料在南沙应运而生,在一定程度上解决了无人设备的痛点。研发出这种先进材料的人,正是在广州香港科技大学霍英东研究院先进材料研发部总监、香港青年专家吕冬博士和他的创新团队。(香港商报记者 李苑立)

 

 

 
实验是他的每日必修课


 

瞄准前沿攻短板获突破


现年35岁的吕冬,2008年在香港科技大学攻读高分子材料专业,2014年获得香港科技大学机械工程博士学位。现任香港科技大学副研究员、广州市香港科大霍英东研究院先进材料研发部总监、工程材料及可靠性研究中心经理。近日,记者在南沙专访了北上南沙已有6年的吕冬博士。

 

 


香港科技大学霍英东研究院的先进材料研发部

 

 


吕冬博士在实验室中

 

 


吕冬博士和轻质高强无人船船体

 
一见面,吕冬向记者介绍了高分子材料的研究现状。中国在该领域的高端成果方面,因物理、化学方面的基础研究比欧美发达国家起步晚,整体研究水平有一定差距,优势不多。不过,近年中国已经非常重视先进材料的研发,这一领域也被列为粤港联合攻关的关键项目。他6年前来南沙之后,核心工作就是围绕寻找高端技术应用展开。

 
“传统的金属材料如钢材应用很广,但在航空航天、新能源汽车等诸多领域,要求材料既有高强度又要重量轻,需要高端工程高分子材料来替代钢铁。在很长一段时间内,我国需要进口这些产品,价格昂贵。”吕冬说:“我们深知国内产品的短板,便主要围绕高分子材料增强增韧改性及其断裂机理研究两大方面展开,重点开发新材料及其加工工艺。”


经过5年的埋头钻研,2014年开始,吕冬和他的团队陆续发表高水平论文十余篇,申请、授权国内外专利10项,其中已授权2项美国专利、1项PCT国际专利及3项中国发明专利。

 


独创纳米添加工艺


“我们在树脂改性方面做了许多研究,现在跟紧世界一流水平。尤其在纳米材料应用方面,实验出独特的工艺方法。”吕冬告诉记者说:“在纳米填料工艺方面,团队已将核心技术申请了专利。”

 
据吕冬介绍,自然界的火山岩层中存在天然纳米粉,这种材料对提升塑料性能非常有效。在吕冬的实验室里,记者看到这种天然纳米粉,呈白色,像石灰粉。吕冬说,在高倍显微镜下观察,这些天然纳米粉呈空心长圆柱形,俗称无机纳米管,将少量纳米管填入高分子材料如塑料中,理论上会使得塑料强度大大提升。


“在塑料中添加纳米管的工艺并不简单。”吕冬说,塑料中添加了这种无机纳米管后,只有在塑料基体中形成了“海岛结构”,塑料的综合性能才会提升。


吕冬告诉记者,普通碳纤维复合材料成型工艺的特点导致其层间的力学性能较差,大部分失效情况都是源于此。加入无机纳米管后,碳纤维复合材料层间性能会大大提高,很大程度上避免了这类高性能材料常见的层层散裂的现象。


“如果无人船使用了普通工艺制作的材料,由碳纤维增强的部分可以具有很高的强度和刚性,但材料内部(碳纤维层间)还是没有改进,容易开裂,使用寿命也就没有实质性提升。我们研究的重点就是解决了碳纤维复合材料层间散裂的现象。”吕冬说,简单来讲,我们发现了利用纳米材料微观形貌控制复合材料力学性能的方法,运用这一独特的方法,只要在塑料中添加2-3%的纳米成分便可以达到我们期望的增韧增强效果。目前这一工艺已形成发明专利。

 
吕冬的实验数据显示,采用他独创的添加纳米工艺,可以使塑料的弯曲强度增加约30%、抗冲击强度增强约4倍、层间断裂倍数增强约2倍,能让整块塑料的强度与韧性同步提升。吕冬所在课题组早在2007年就已将相关研究论文发表在全球高分子材料领域的顶尖杂志“Polymer”上,至今已被引用超过200次,是高分子材料领域中较为重要的一篇文献。


有了第一步的突破后,吕冬的研究并未止步。他还介绍说,实际应用中,塑料产品的形态五花八门,有复杂曲面的塑料产品比比皆是,如何让塑料曲面的每一个位置都能完美成型,这又是个技术活儿。他与团队已经找到这个技术关键,并已经申请了专利。


采访当日,记者在吕冬实验室拿起一个复杂曲面的塑料制品掰了掰,很轻薄的塑料件,像金属一样坚硬。

 


专利变商品助力亿元产值


“科研最终的目的是为了转化为实际应用。”吕冬说,这也是港科大一批年轻人来南沙的梦想。他的梦想在2015年实现。


手握科研专利证书,又有翔实的实验数据和前期的准备。找吕冬合作开发新材料的企业开始多了起来,经过接触了解,2015年底,吕冬达成与业内知名的无人设备企业云洲智能科技有限公司合作,双方在珠海唐家湾联合创建了云智新材料科技有限公司,该公司专门为无人系统(无人船、无人机等产品)提供超轻高强材料生产。

 
据介绍,珠海云洲智能公司是生产无人船的全国领先企业,其生产的无人船主要应用于江河湖海的水质、环境监测、测绘、勘察等方面。公司成立有五年多,目前产值不错,但船体材料始终是其产品的痛点之一。云智新材料为云洲智能公司提供新型材料后,产品质量显著提高,一米多长的无人船采用新材料制造船体后,既减轻了船体重量,能节省能源消耗,又提升船体抗撞击强度,延长了使用寿命,用船的综合成本迅速下降,得到了用户的青睐。在新材料的助力下,2016年云洲智能销售额突破亿元,随着无人设备的应用推开,市场情况越来越好。云智新材料公司首年产值即突破数百万元,成为大学技术骨干创业的典范。

 
据美国媒体报道,智能交通正在世界范围内兴起,无人船、无人机或将开启下一个运输业的拐点。豪车厂商劳斯莱斯公司近期公开表示,传感器、通信技术、新材料和计算器的不断革新,完全自动航行的远洋货轮将在10-15年内成为一种常态。该公司已经在芬兰建立了自动水运应用项目中心。与此同时,欧盟也开展了海上无人驾驶智能网络导航项目,国际船舶认证组织也正在探索使用无人船沿挪威海岸线运输货物的可行性。无人船舶、飞机朝大型化应用,将掀起新一轮产业革命。

 
“这就是科技的魅力。”吕冬说:“在庞大的市场面前,我们只能算是刚刚开始,面临的前沿课题越来越多、也越来越难,机遇与挑战同在。”

 


两地优势互补 北上科研有作为


谈到在南沙从事科研转化的这六年多时间,吕冬感觉到,内地的科研还是以发文章为主要目的,这是内地体制性的问题,也是高校院所对科研人员的评价机制使然。香港则注重科研的转化应用,所以香港的研发工程师待遇要比内地同等人员高得多。“这就是优势互补的地方。”吕冬说:“这种差异化恰好给了香港年轻工程师北上科技创业的动力。”

 
吕冬现在最大的希望是与能与更多的企业合作研发产品。他认为,像霍英东研究院这类设在内地的香港科技机构,能从国家、省市区拿到的科研经费,总体上不会太多,与国内科研机构相比,能申请到的渠道还是要少一些,要承担起更前沿的科研攻关,做出更符合企业实际需要的应用转化,还得多与企业结合。

 
记者了解到,这些年来,吕冬主持和参与了广东省粤港合作、香港创新科技署及科技部合作专项(内地与港澳台)、广州市对外科技合作等多项国家、省市区的重点科研项目,有效地将香港科大一流研发成果实现了产业转化,帮助企业解决了大量材料学和工程学方面的问题。为香港科研工作者服务内地树立了良好的形象。

 
下一步,吕冬准备在在技术转移方面,将南沙香港科大霍英东研究院先进材料研发部打造成一个全新的技术转移平台,帮助企业了解国际上先进的生产技术,协助企业进行技术引进、技术吸收及以技术创新,帮助企业降低技术门坎,缩短企业科研成果产业化转化和技术吸收的时间,让香港的科技资源与内地更加紧密合作,多出成果,为实现中国制造2025的目标,协同创新,共同创造。

 


来源:香港商报网 记者李苑立

 

 

 

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