2019年國家技術發明獎提名項目公示

一、  項目名稱

高性能特種粉體材料近終形制造技術及應用

二、提名者及提名意見

提名者：中國有色金屬工業協會

提名意見：

高性能特種粉體材料在國防裝備和民用高技術產品中具有不可取代的關鍵作用。但是，由于硬度高、脆性大、性能對加工狀態敏感等問題，采用傳統材料加工技術難以制備成可以使用的零件，極大地限制了這類材料性能的發揮和有效利用，也成為我國許多國防裝備和民用工業領域發展的瓶頸。該項目攻克了特種粉體原料制備、精密成形和組織性能調控三大技術瓶頸。發明了微細近球形特種粉體制備和改性新技術，實現注射成形用特種粉末原料的自主化；發明了適合不同粉體材料體系的新型粘結劑及成形和高效脫脂工藝，解決了喂料填充性、保形性、殘碳或增氧、尺寸精度控制等難題；發明了多孔脫脂坯強化燒結致密化和組織性能精確調控技術，實現近終形制造和性能大幅提升；發明了磁場注射成形機、高效脫脂爐和節能燒結爐等關鍵裝備，建立了在線檢測和監控軟硬件系統，實現全自動化生產。申請發明專利142項（含PCT專利1項），其中授權發明專利52項，軟件著作權6項，出版著作2部、發表論文133篇(其中SCI 122篇)，多種產品打破國外技術封鎖，解決了多項國防裝備建設和研發的“卡脖子”問題，滿足了國家重大需求，引領和推動了我國粉末注射成形產業的形成和發展，建成54條生產線，近三年新增銷售額39.5億元，新增利潤7.9億元，社會經濟效益顯著。

獲教育部技術發明一等獎2項，中國有色金屬工業科學技術發明一等獎2項。

提名該項目為國家技術發明獎 二  等獎。

三、項目簡介

該項目屬于新材料領域粉末冶金學科。高性能特種材料具有其他材料不具備的特殊性能，在國防和民用高技術產品中具有不可取代的關鍵作用。然而，這類材料存在硬度高、脆性大、對加工狀態敏感等問題，采用傳統技術難以制備成可使用的零件，極大限制了這類材料性能的發揮和有效利用，成為許多國防裝備和民用工業領域發展的瓶頸。粉末注射成形在制備難加工材料復雜形狀零件方面具有獨特優勢，被認為是未來制造業十大顛覆性技術之一。然而，對于不同材料，該技術所面臨的技術難點不盡相同，需要有針對性地開展創新研究。

項目歷時18年，針對國防裝備、汽車、可穿戴電子產品等領域的需要，開展了金屬鎢、氮化鋁、軟磁合金等特種粉體材料注射成形的研究，突破了近球形微細粉末制備、精確成形、組織性能調控等關鍵技術，實現了此類材料制品的近終形制造。申請發明專利142項(含PCT專利1項)，其中授權發明專利52項，授權實用新型專利68項，軟件著作權6項，出版著作2部，發表論文133篇(其中SCI 122篇)。

1、創立了適合注射成形工藝的近球形微細特種粉體制備和改性新技術。建立了溶液燃燒合成難熔金屬和非氧化物陶瓷粉體反應體系和工藝、以及“氣流分散分級-等離子球化”粉體改性新技術，制備出納米近球形氮化鋁和鎢基粉末，球形鎢粉粒度和粒度分布可控。

2、發明了適合不同粉體材料體系的新型粘結劑及成形和高效脫脂工藝。首次將兩相流理論和混沌理論應用于粉末注射成形充模過程的研究，闡明了兩相分離的本質原因和缺陷產生的不確定性機理。研制出基于聚合物功能基團的粘結劑體系，解決了喂料填充均勻性、保形性、殘碳或增氧、缺陷控制等難題。

3、發明了多孔脫脂坯強化燒結致密化和組織性能精確調控技術。針對脫脂坯燒結致密化困難的問題，基于細晶強化燒結和結構活化燒結的原理，建立了金屬鎢和鐵基軟磁合金強化燒結新工藝，鐵基軟磁的最大磁導率提高了3-5倍，鎢的耐電子沖擊性能提高了2個數量級。綜合利用液相燒結和“殘炭脫氧”協同效應，實現氮化鋁致密化、晶界相控制及晶格凈化，熱導率高達248W·m-1·K-1。

4、發明了磁場注射成形機、高效脫脂爐和節能燒結爐等關鍵生產設備，建立了基于機器視覺的產品尺寸、外觀質量在線檢測和監控，工業機器人動態抓取、裝配和分揀軟硬件系統，實現全自動化生產，生產效率提高6倍以上，標樣尺寸精度控制在±0.2%。

項目技術通過了中國有色金屬工業協會和教育部組織的成果鑒定（評估），專家組評價：“復雜形狀氮化鋁構件注射成形工藝技術達到國際領先水平”，“高性能金屬鎢制品精密制備技術創新性突出，應用成效明顯，整體技術達到國際領先水平”。相關成果先后獲得教育部技術發明一等獎2項，中國有色金屬工業科學技術獎（發明）一等獎2項，獲世界粉末冶金大會產品獎2項。建設了54條生產線，其中江蘇精研和上海富馳已發展成為行業排名靠前的兩大注射成形企業。近三年，新增銷售39.5億元，新增利潤7.9億元，并解決了多項國防裝備發展“卡脖子”問題，經濟和社會效益顯著。

（二）科技查新報告結論

教育部科技查新工作站查新結果，在國內外已公開發表的文獻和專利中，除本查新項目組成員及其指導的學生發表的文獻和發明的專利外，未見有與本查新項目相同的下述報道：開發出溶液燃燒合成納米鎢基粉末，并制備出致密度大于95%，晶粒尺寸約為570nm，硬度699HV0.2，抗彎強度為568MPa的鎢制品；開發出“氣流分散+等離子球化“制備細粒度、窄分布球形鎢粉的方法，并制備出孔隙均勻且連通度好的復雜形狀多孔鎢制品；開發出一種利用粘結劑殘碳“脫氧”技術，并制備出熱導率高達248W·m-1·K-1的氮化鋁制品；開發出一種利用δ相燒結制備接近全密度(>99.9％)鐵基零件，磁感應強度B6000=1.81T，矯頑力Hc=20.6A/m ，最大磁導率μm=21.8mH/m的純鐵軟磁；開發出一種利用加P液相燒結，大幅度降低了燒結溫度，縮短燒結時間，μm=21.4mH/m，B6000=1.77T，Hc=21A/m的鐵磷軟磁；開發出一種采用HIP和后續熱處理工藝，制備出全致密，Bs=1.58T，Hc= 2.52A/m，μm=112mH/m的Fe-50%Ni軟磁合金，以及Bs=0.862T，Hc=0.95A/m，μm=210000的Fe-79%Ni-4%Mo軟磁合金的報道。

（三）鑒定結論

2015年7月20日，受教育部委托，北京科技大學在北京組織召開了“高性能金屬軟磁材料的粉末注射成形技術”科技成果評價會，專家組鑒定結論：“該成果實現了復雜形狀高性能軟磁零件的低成本近終形制造，具有顯著的創新性和廣闊的市場前景，整體技術達到國際先進水平，部分注射成形軟磁制品的主要使用性能達到國際最好水平。”

2017年5月9日，中國有色金屬工業協會在北京組織召開了“高導熱氮化鋁制品精密制造技術”科技成果評價會，專家組鑒定結論：“該技術創新性強，屬于重要的軍民兩用技術，整體技術達到國際先進水平，其中以復雜形狀構件注射成形等為代表的工藝技術達到國際領先水平。”。

2018年7月18日，中國有色金屬工業協會在北京組織召開了“高性能金屬鎢制品精密制備技術及應用”科技成果評價會，專家組鑒定結論：“相關成果在國防重要型號武器和民品中獲得成功應用，為實現武器系統的高性能化和相關產業的發展做出了重要貢獻，經濟和社會效益顯著。該成果創新性突出，應用成效明顯，整體技術達到國際領先水平”。

（四）技術檢測報告
金屬鎢、氮化鋁、鐵基金屬軟磁產品性能經過國家有色金屬及電子材料分析檢測中心、中國計量科學研究院、清華大學的檢測，滿足技術指標要求。

（五）用戶使用意見

研制的近球形微細特種粉體制備和改性新技術用于手機的線性馬達振子生產中。粉體改性處理新技術大大提高了粉末的松裝密度、振實密度和流動性，將該技術應用于制備手機線性馬達鎢基合金振子，在保證喂料流變性能的條件下，將粉末裝載量提高了10%，從而減小了坯體脫脂、燒結過程中的收縮和變形，提高了產品的尺寸精度，降低了生產成本。相關產品在上海富馳高科技有限公司實現了產業化。

研制的新型粘結劑與脫脂工藝用于手機攝像頭圈的制備。采用本成果開發的聚甲醛基粘結劑與催化脫脂技術，在手機攝像頭圈的研制和生產中獲得成功應用，大大提高了產品脫脂效率，降低了碳含量，減小了燒結變形和燒熔的發生，確保了材料的力學性能、抗腐蝕性能和無磁性。相關產品在深圳艾利門特科技有限公司實現了產業化。

研制的球形鎢粉用于擴散式陰極多孔鎢基底的制備。成都國光電氣股份有限公司采用本成果開發的細粒度窄分布球形鎢粉為原料制備擴散式陰極多孔鎢基底，實現了孔隙結構的精確調控，大大提高了孔隙連通度和開孔率，與原使用市售鎢粉制備的多孔鎢基底相比較，在保證孔隙率的前提下，浸鹽（發射物質）量增加了20%左右，極大提高了陰極的發射性能和使用壽命。

研制的鐵基軟磁制品用于揚聲器或助聽器的動鐵單元，已為美國樓氏電子研制ED、TEC、SR、PHF等各種規格磁軛（YOKE）零件，用戶評價：“性能、尺寸穩定，滿足了使用要求”。所研制的針式打印機用軛鐵座零件已在南京富士通計算機設備有限公司、安徽寧致科技有限公司獲得成功使用：“所研制的軛鐵座零件性能良好，尺寸精度高，滿足使用要求”；“產品尺寸和性能一致性好，尺寸滿足裝配要求，針頭打擊力度強，工作穩定，性能優良”。

（六）科技獎勵

1、2012年教育部技術發明一等獎-觸發引爆開關放電電極及其近終形成形技術研究；

2、2018年教育部技術發明一等獎-高性能金屬鎢制品精密制備技術及應用

3、2016年中國有色金屬工業技術發明獎一等獎-高性能金屬軟磁制品近終形制造技術；

4、2017年中國有色金屬工業技術發明獎一等獎-高導熱氮化鋁精密成形技術及應用；

五、應用情況

1．應用情況

項目形成了具有我國完全自主知識產權的高性能特種粉體材料近終形制造技術，包括特種粉體制備和改性新技術、近終成形和高效脫脂技術、組織性能精確調控技術、以及自動化生產線建設相關技術。目前北京科技大學已與江蘇精研科技股份有限公司、上海富馳高科技股份有限公司、深圳艾利門特科技有限公司、揚州海昌新材料股份有限公司、蘇州創基精密制造有限公司、北京嘉潤粉末注射成形技術有限公司、廈門鉅瓷科技有限公司、北京創卓科技有限公司等十余家企業建立戰略合作伙伴關系，共同致力于高性能特種粉體材料近終形制造技術與注射成形產品的推廣。項目產品不僅在中國工程物理研究院、中國電子科技集團公司第十二研究所、中國電子科技集團公司第九研究所、中國電子科技集團公司第十三研究所、中國電子科技集團公司第五十五研究所、中國船舶重工集團公司、中國航天科技集團公司一院703所等國防單位得到應用，解決了多項國防裝備發展“卡脖子”問題。同時，項目產品也在行業一線消費電子品牌、汽車品牌等國內外知名企業的高技術產品中，取得了顯著的經濟和社會效益。

2．應用效果

項目團隊是我國最早開展注射成形技術研究的團隊，項目歷時18年，引領和推動了我國注射成形產業的形成和發展。項目申請發明專利142項（含PCT專利1項），其中授權發明專利52項，授權實用新型專利68項，發表論文133篇，形成了具有我國完全自主知識產權的高性能特種粉體材料近終形制造技術。項目團隊通過技術轉讓或合作、發表論文、舉辦產業論壇和學術會議、輸送畢業生等多種方式，引領和推動了我國注射成形產業的形成和發展，實現產-學-研-推的良性循環。自2010年起，項目組與江蘇精研科技股份有限公司、上海富馳高科技股份有限公司、深圳艾利門特科技有限公司、揚州海昌新材料股份有限公司、蘇州創基精密制造有限公司等企業達成戰略合作伙伴關系，共同致力于高性能特種粉體材料近終形制造技術與注射成形產品的推廣。目前，江蘇精研科技股份有限公司和上海富馳高科技股份有限公司已發展成為行業排名靠前、生產規模較為客觀的兩大注射成形企業，其中江蘇精研科技股份有限公司已經于2017年10月在深交所創業板成功上市。2010年，我國的注射成形市場規模僅1.4億元左右，2014年我國已成為世界注射成形銷售的最大國家，2017年更是達到約55億元，占世界市場1/3以上。該項目技術已在十幾家企業推廣應用，建成生產線54條，近三年，新增銷售39.5億元，新增利潤7.9億元，社會和經濟效益顯著。

項目產品打破了國外技術封鎖，解決了多項國防裝備發展“卡脖子”問題，滿足了國家的重大需求，意義重大。當前我國制造業所需的核心零部件、元器件嚴重依賴進口，發展我國制造業所需的核心基礎零部件，強化工業基礎，改變中國制造業是《中國制造2025》的一項核心任務。高性能特種粉體材料是一類具有特殊性能，制備技術難度大的核心基礎零部件，無論是國防裝備還是民用高技術產品中都具有不可取代的關鍵作用，直接影響到關鍵器件或裝備的整體性能或可靠性。該項目研發出高性能特種粉體材料近終形制造技術，解決了由于硬度高、脆性大、以及其性能對加工狀態敏感等問題造成的復雜形狀特種材料制品無法制備的難題，實現了低成本近終形制造，而且克服了傳統材料性能低的問題，為實現關鍵元器件或裝備的輕量化、小型化和高性能化奠定了基礎。項目產品鎢電極、多孔鎢陰極基底、氮化鋁線圈骨架、氮化鋁支撐桿、蜂窩結構型材等產品已在國防重點裝備中得到應用，滿足了我國重點國防裝備對特種粉體材料制品的急需，同時為未來新型國防裝備的研制以及性能的進一步提升奠定了基礎。這將帶動我國兵器、電子、原子能工業、電真空、汽車、航空航天、機械制造等相關行業的技術進步，有助于我國優勢資源的高效應用。

依托該項目，培養了大批注射成形領域的工程科技人才，他們已經成為我國乃至世界注射成形行業的領軍人才、技術骨干，為行業發展提供了有力的人才支撐。

粉末注射成形是一種節能、高效、環境友好的顛覆性綠色制造技術，具有顯著的節能減排效果。該技術可以減少甚至消除機加工，是一種高度近凈形成形技術，大幅提升了生產效率，材料利用率高，減少了資源消耗，生產成本低，在節約資料和能源消耗方面效果顯著，并為我國優勢資源的高值化利用和高附加值產品的開發提供了新的途徑。

綜述所述，該項目突破了特種粉體制備、近終成形和組織性能調控等技術瓶頸，形成了具有自主知識產權的高性能特種粉體材料近終形制造技術和關鍵裝備，建成了世界最大的兩家注射成形企業，引領了行業的發展。近三年，新增銷售39.5億元，新增利潤7.9億元，產生了顯著的經濟、社會和環境效益。數據來源于各家應用單位的會計報表、單位財務部門核準出具的財務證明等。新增銷售額為應用單位應用該項目技術所新增的產品銷售額，以已經簽訂并履行的合同為依據；新增利潤為應用單位新增銷售額扣除相關產品或服務的成本、費用和稅金后的余額。

六、主要知識產權和標準規范等目錄

主要知識產權證明目錄

七、主要完成人情況

第1完成人：曲選輝，教授，工作單位：北京科技大學，是項目總體思路、學術思想、理論技術體系的提出者，以及關鍵技術攻關和產業化應用的組織實施者。對創新點1-4均做出重大貢獻。發明了適合不同粉體材料體系的新型粘結劑及成形和高效脫脂工藝。建立了“粉末-粘結劑”兩相協同運動模型，探明了“比重差”是造成兩相分離的本質原因，增加兩相相互作用可減少兩相分離現象。首次將混沌理論應用于注射成形過程研究，闡明了缺陷產生的不確定性機理。針對不同粉末，發明多種新型粘結劑，很好地解決了粉末填充均勻性、成形坯保形性、殘碳或增氧、缺陷和尺寸精度控制等難題。

第2完成人：秦明禮，工作單位：北京科技大學。參與提出本項目的學術思想、技術路線、實驗方案，主持開展“高性能特種粉體材料近終形制造技術”基礎和應用研究，并協助實施技術轉讓和應用示范。主要參與創新點1、2、3的研究工作。發明了一種分散分級與等離子球化相結合制備球形鎢粉的新方法。基于表面能和晶格畸變強化燒結、結構活化燒結原理，建立了金屬鎢和鐵基軟磁強化燒結新工藝；綜合利用液相燒結和脫脂坯殘碳“脫氧”原理，解決了氮化鋁高致密化、晶界相數量控制和晶格凈化的難題。金屬鎢、鐵基軟磁合金制品燒結密度提高到95%以上，鎢電極的抗電子轟擊性能顯著改善，鐵基軟磁制品的最大磁導率提高了3-5倍，氮化鋁的熱導率高達248W·m-1·K-1。

第3完成人：章林，教授，工作單位：北京科技大學。主要參與創新點2、3的研究工作。負責注射成形共性關鍵技術研究和產品研發。對創新點 1中“建立了溶液燃燒合成難熔金屬和非氧化物陶瓷粉體反應體系和工藝、以及“氣流分散分級-等離子球化”粉體改性新技術”、創新點3中“針對脫脂坯燒結致密化困難的問題，基于細晶強化燒結和結構活化燒結的原理，建立了金屬鎢和鐵基軟磁合金強化燒結新工藝”有貢獻。

第4完成人：吳昊陽，講師，工作單位：北京科技大學。主要參與創新點1、3的研究工作。負責近球形微細特種粉體制備和改性新技術研究及注射成形制品開發。建立了溶液燃燒合成難熔金屬和非氧化物陶瓷粉體反應體系和工藝、制備出分散性好、燒結活性高的納米近球形氮化鋁粉末。研制出基于聚合物功能基團的粘結劑體系，解決了喂料填充均勻性、保形性、殘碳或增氧、缺陷控制等難題。減少了產品缺陷和脫脂、燒結變形

第5完成人：鄔均文，副總經理，工作單位：江蘇精研科技股份有限公司。主要參與創新點4、2和3的研究工作。重點開展高性能特種粉體材料近終形宏量制備技術開發，并擁有高效脫脂爐、燒結爐等關鍵生產設備等相關專利權，建立了基于機器視覺的產品尺寸、外觀質量在線檢測和監控，建立了注射成形產業化生產線；攻克了新型粘結劑和軟磁合金強化燒結技術應用于工業化生產的難題。

第6完成人：鐘偉，工作單位：上海富馳高科技股份有限公司。主要參與創新點4，2和3的研究工作。負責推進注射成形自動化產業化生產線建設。建立了基于機器視覺的產品檢測策略，開發了尺寸、外觀質量在線監測和工業機器人動態抓取、裝配和分揀的軟硬件系統，實現全自動化生產。攻克了新型粘結劑和鎢基合金強化燒結技術應用于工業化生產的難題。

八、完成人合作關系說明

該項目聯合申報單位包括北京科技大學、江蘇精研科技股份有限公司、上海富馳高科技股份有限公司，下面對完成人合作關系進行簡要說明。

第1完成人：曲選輝，于2000年開始率先在我國開展粉末注射成形技術研究，是項目總體思路、學術思想、理論技術體系的提出者，也是關鍵技術攻關和產業化應用的組織實施者。第1完成人領導團隊主要技術骨干第2、3完成人共同申請發明專利56項，共同發表SCI論文66篇，共同鑒定成果4項，共同申報并獲得教育部技術發明獎2項，有色金屬協會技術發明獎2項。2010年第1完成人與第4完成人，代表北京科技大學與江蘇精研科技股份有限公司，簽署了粉末注射成形技術產業化合作協議。2010年，第1完成人與第5完成人，代表北京科技大學與上海富馳高科技股份有限公司，簽署了戰略合作伙伴關系協定。

第2完成人：秦明禮，主持開展“高性能特種粉體材料近終形制造技術”基礎和應用研究，并協助第 1 完成人實施技術轉讓和應用示范。與第 1 完成人共同承擔并完成國家“973”計劃2項，國家“863”計劃項目2項，以及民口配套項目2項。

第3完成人：章林，負責注射成形共性關鍵技術研究和產品研發。與第 1、2完成人共同承擔并完成國家 “863”計劃項目1項，民口配套項目2項。與第5完成人合作開發筆記本金屬扇葉，共同申報并獲得世界粉末冶金大會產品獎。

第4完成人：吳昊陽，負責近球形微細特種粉體制備和改性新技術研究及注射成形制品開發，與第2完成人共同申報國家自然科學基金1項。與第2、6完成人合作開發手機翻轉攝像頭殼體，共同申報并獲得世界粉末冶金大會產品獎。

第5完成人：鄔均文，重點開展高性能特種粉體材料近終形宏量制備技術開發。與第1、2和3完成人共同推進近終形制造技術的產業化，解決了產業化過程中的工藝匹配、參數優化和自動化生產等關鍵問題，建立了高性能復合金屬注射成形技術生產線。

第6完成人：鐘偉, 碩士導師為第1完成人。與第1、2完成人合作，負責推進注射成形自動化產業化生產線建設，率先嘗試將基于機器視覺的產品尺寸、外觀質量在線檢測和監控技術應用于注射成形工業化生產。