新材料在線^?

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新材料在線 ID：xincailiaozaixian

圖片：受訪人提供、圖蟲創(chuàng)意

5G時代已經(jīng)拉開了序幕。就在今年3月初，中國移動啟動23萬個5G基站的集中采購，濾波器行業(yè)開啟了千億元“大蛋糕”。

作為信號基站的核心器件，濾波器主要作用是使發(fā)送和接收信號中特定的頻率成分通過，極大衰減其他頻率成分。5G時代，面對無線環(huán)境干擾愈加復(fù)雜的情況，陶瓷介質(zhì)濾波器應(yīng)運而生，其發(fā)展速度遠(yuǎn)超金屬腔體濾波器，一騎絕塵。

“實際上微波介質(zhì)陶瓷在國內(nèi)到了爆發(fā)的階段，”致力于于高性能電子功能陶瓷研究工作20余年的中南大學(xué)粉末冶金研究院博士生導(dǎo)師劉紹軍教授表示，目前業(yè)界對于微波介質(zhì)陶瓷的基礎(chǔ)研究熱度已然下降，“基礎(chǔ)研究成果開始往產(chǎn)業(yè)界轉(zhuǎn)移了?！?/span>

作為中國信息功能電子陶瓷和陶瓷增材制造領(lǐng)軍人物之一，喜歡刨根問底的劉紹軍對于基礎(chǔ)研究有著深深的熱愛。赴美求學(xué)的經(jīng)歷，更堅定了他投身基礎(chǔ)研究的想法，并終帶著這份信念回到了國內(nèi)。 5G時代推動了陶瓷介質(zhì)濾波器的發(fā)展，在與國內(nèi)企業(yè)的合作中，他更深刻地感受到了基礎(chǔ)研究的魅力。

01

“基礎(chǔ)研究魅力無窮”

在劉紹軍的簡歷上，有著一連串的研究方向名稱。

好奇心強(qiáng)烈的他，在大學(xué)期間就開始“折騰”，不斷拓視新領(lǐng)域。本科專業(yè)就讀的是中南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，研究生階段則選擇了我國具有很高知名度的中南工業(yè)大學(xué)粉末冶金專業(yè)。

正是緣于研究生期間的專業(yè)學(xué)習(xí)，他接觸到了粉末冶金和金屬注射成型技術(shù)領(lǐng)域。劉紹軍提到他非常幸運，所在的課題組一直是團(tuán)隊。在中南工業(yè)大學(xué)粉末冶金研究所期間，他師從國內(nèi)著名的粉末冶金專家，黃伯云院士和曲選輝教授，周圍也聚集了一大幫的師兄弟。

碩士畢業(yè)后，劉紹軍萌生了出國深造的想法， 1999年憑借優(yōu)異的成績拿到了全額獎學(xué)金前往美國亞利桑那州立大學(xué)攻讀博士學(xué)位。在亞利桑那州立大學(xué)師從的是在半導(dǎo)體材料研究享有世界聲譽的Nathan Newman教授，他也是為數(shù)不多的同時為美國物理學(xué)會和IEEE學(xué)會Follow的學(xué)者。當(dāng)時，他剛剛從美國西北大學(xué)過來，同時也帶來了2個有關(guān)微波陶瓷和陶瓷濾波器的基金項目。這也是劉紹軍博士學(xué)位論文的主要研究內(nèi)容。這時起，他一頭扎入了電子陶瓷領(lǐng)域，一晃眼就是20年。

“我喜歡做一些刨根問底的東西?！眲⒔B軍的博士生導(dǎo)師Newman教授對探索材料物理起源相關(guān)的問題非常執(zhí)著，材料機(jī)理相關(guān)的研究也非常透徹，對材料從制備工藝、材料表征、結(jié)構(gòu)表征和性能表征之間相互的關(guān)聯(lián)性的理解，做得非常深，這深刻地影響了劉紹軍對基礎(chǔ)研究的看法。

在亞利桑那州立大學(xué)期間，Newman教授正處在職業(yè)生涯的高峰時期，整個課題組的戰(zhàn)斗力也非常強(qiáng)悍。在這段時間，劉紹軍在科學(xué)思維、研究能力、實驗操作能力和嚴(yán)謹(jǐn)性等方面，都得到了非常系統(tǒng)和嚴(yán)格的訓(xùn)練。這些訓(xùn)練養(yǎng)成的科研習(xí)慣也延續(xù)至今。

在與企業(yè)的合作中，他進(jìn)一步感受到基礎(chǔ)研究的魅力。通過機(jī)理的方式解剖材料，好處是能在實際工程領(lǐng)域快速找到問題的關(guān)鍵并提出解決難題的方法。

令劉紹軍記憶深刻的是與深圳大富科技合作研發(fā)陶瓷濾波器的那段時期。大富科技是國內(nèi)較早做陶瓷濾波器項目的企業(yè)之一，彼時他們選擇研發(fā)的是鈦酸鈣和鋁酸釹微波陶瓷體系，燒結(jié)難度很大，花了大半年時間一直沒有取得實質(zhì)性進(jìn)展。劉紹軍接手項目初期，對這材料也比較陌生，但憑借多年俯身基礎(chǔ)研究鍛煉的理學(xué)邏輯思維，他還是很快找到了癥結(jié)所在。

熟悉陶瓷燒結(jié)機(jī)理研究的劉紹軍清楚，燒結(jié)本質(zhì)是原子擴(kuò)散的過程，他快速找到了多種方式來解決難題。通過降低粉末粒度，優(yōu)化粒徑分布以及通過成分設(shè)計等各方面的工藝改進(jìn)，終順利完成了燒結(jié)。

(Ca,Nd)(Ti,Al)O3外延薄膜/LaAlO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)的選取電子衍射及高分辨透射電鏡圖

這樣的甜頭不止一次。在與南方航空動力的一次合作中，對方想合成具有特定粉末粒度分布的材料。通常為獲得特定粒度分布的粉末，需要把不同粒徑、大小的粉末進(jìn)行分篩，細(xì)分出很窄的粒度范圍后再進(jìn)行調(diào)配，進(jìn)而通過測試得到曲線，如此至少要花費半年的時間。

而經(jīng)常做材料晶體結(jié)構(gòu)分析的劉紹軍靈光一閃，聯(lián)想到X射線衍射Kα衍射峰的雙線分離。采用逆向思維的方法，利用2種不同正態(tài)分布的粉末，以計算機(jī)模擬的方式獲得對應(yīng)的分配曲線，很快就調(diào)配出所需粒度分布曲線的粉末。這令中航工業(yè)南方航空動力的工程師驚訝不已。

亞微米結(jié)構(gòu)Ba(Zn1/3Ta2/3)O3微波陶瓷有序疇結(jié)構(gòu)的高分辨電鏡照片

劉紹軍感嘆道，國內(nèi)材料大而不強(qiáng)，實則有待加強(qiáng)基礎(chǔ)研究的“源頭供給”。

02

“緊盯可以落地的基礎(chǔ)研究”

除了深刻剖析材料結(jié)構(gòu)，劉紹軍還認(rèn)為，作為連接基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的橋梁，材料科學(xué)與工程學(xué)科具有其鮮明的特色，也決定了材料科學(xué)基礎(chǔ)研究成果應(yīng)當(dāng)具備很好的應(yīng)用背景。劉紹軍教授課題組也一直在開展有很強(qiáng)應(yīng)用背景且能落地的新材料研究方向。

2007年9月，在美國完成博士學(xué)位和博士后訓(xùn)練后，劉紹軍回到國內(nèi)，繼續(xù)電子陶瓷的研究工作。在此期間，他主持完成了包括國家自然科學(xué)基金項目、粉末冶金國家重點實驗室自主課題和開放課題、深圳市重點科技攻關(guān)計劃項目和深圳市自然科學(xué)基金項目等在內(nèi)的多個基金項目，展開對電子陶瓷的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。雖然與企業(yè)的合作不多，但劉紹軍始終盯著有強(qiáng)大應(yīng)用背景的材料基礎(chǔ)研究。

他認(rèn)為信息功能陶瓷是移動通信中的革命性材料，應(yīng)用領(lǐng)域及其廣泛，可以實現(xiàn)機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)化、光能和電能轉(zhuǎn)化、熱能和電能轉(zhuǎn)化等。移動通訊需要微波傳輸和接收，微波通訊基站首當(dāng)其沖，其核心就是微波電子陶瓷所制備的濾波器和天線。

“可以說，電子陶瓷材料是信息時代的基石。”劉紹軍對《大國之材》說道。他帶領(lǐng)的項目組針對功能電子陶瓷在移動通信中的應(yīng)用展開了深入的材料基礎(chǔ)研究。

實際上，回到國內(nèi)后，劉紹軍意識到國內(nèi)在電子陶瓷材料產(chǎn)業(yè)方面的發(fā)展仍比較滯后，他一直尋找機(jī)會想宣傳和推廣微波陶瓷材料在微波通信基站上的應(yīng)用，然而國內(nèi)整體市場還不夠成熟，并沒有人“搭理”他。

不過，隨著5G時代的來臨，近兩年劉紹軍與企業(yè)打交道的次數(shù)漸漸多了起來。他發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象，從基礎(chǔ)研究角度看，在歐美日韓等微波陶瓷發(fā)達(dá)地區(qū)開展微波介質(zhì)陶瓷基礎(chǔ)研究的團(tuán)隊已經(jīng)開始減少。“通常而言，假如一款材料的基礎(chǔ)研究不熱門了，只有兩個原因。一是大家覺得這材料近期內(nèi)沒前途了，二是大家認(rèn)為基礎(chǔ)研究工作已經(jīng)大體完成，相關(guān)研究成果開始轉(zhuǎn)移到產(chǎn)業(yè)界去了。”劉紹軍說道。

劉紹軍感覺到，微波介質(zhì)陶瓷已經(jīng)進(jìn)入到爆發(fā)的階段。近些年的數(shù)據(jù)也佐證了他的預(yù)感。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2014年，中國微波介質(zhì)陶瓷行業(yè)市場規(guī)模為18.9億元，至2018年中國微波介質(zhì)陶瓷市場規(guī)模達(dá)到41.8億元，2014年至2018年，年復(fù)合增長率達(dá)到21.9%。

因此，他也在抓緊與相關(guān)企業(yè)合作，將研究成果推向落地。事實上，在深圳市重點科技計劃項目支持下，項目組合作開發(fā)的一款陶瓷濾波器產(chǎn)品已通過了華為公司的商業(yè)合格認(rèn)證，正在批量生產(chǎn)。

項目組合作研發(fā)的已通過華為商業(yè)合格認(rèn)證的應(yīng)用于6-8G頻段的陶瓷濾波器

除了電子陶瓷，劉紹軍近兩年關(guān)注的另一個重要方向是陶瓷增材制造技術(shù)。實際上，增材制造的概念在上世紀(jì)90年代已出現(xiàn)，從原材料區(qū)分來看，增材制造包括高分子增材制造、金屬增材制造和陶瓷增材制造。陶瓷增材制造因陶瓷的難成型性，發(fā)展明顯落后于前兩者。但基于以前對注塑成型的研究經(jīng)驗和對電子陶瓷的了解，劉紹軍還是在短時間內(nèi)成功介入了陶瓷增材制造領(lǐng)域。

在他看來，陶瓷增材制造相對于高分子和金屬增材制造，品種更多，應(yīng)用范圍更廣。除了可以打印結(jié)構(gòu)陶瓷，在信息功能陶瓷和光子晶體制備等領(lǐng)域也擁有廣闊的應(yīng)用面，在醫(yī)療領(lǐng)域也有發(fā)揮的舞臺。

利用項目組自主設(shè)計和制備的光固化增材制造機(jī)打印和燒結(jié)的致密氮化硅陶瓷

“只要解決了陶瓷增材制造的生產(chǎn)速度和成本問題，它就變?yōu)槌Ｒ?guī)的材料制備技術(shù)，并演變成真正革命化的技術(shù)。”劉紹軍憧憬道。

03

“做強(qiáng)材料需轉(zhuǎn)變觀念”

近兩年，劉紹軍在與企業(yè)合作時也遇到了不少“摩擦”。

“剛開始的合作不是特別愉快。”劉紹軍有些感慨。他對《大國之材》表示，很多企業(yè)追求的是“短、平、快”的項目。比如一些做代工的企業(yè)，任務(wù)節(jié)點十分明確。

而高端材料如半導(dǎo)體材料、高性能功能電子陶瓷等需要深厚積累，達(dá)到質(zhì)量穩(wěn)定、高成品率和高性能才能真正滿足客戶的需求。積累則意味著需要資金、時間和人力的持續(xù)高強(qiáng)度投入，這時候材料研究人員與企業(yè)的矛盾便出現(xiàn)了。

劉紹軍分析道，材料的好壞由很多因素決定。如原材料的產(chǎn)出、設(shè)備、人員素質(zhì)、管理水平等，某一環(huán)節(jié)產(chǎn)生一個小誤差就會傳遞到下游，如果細(xì)小誤差進(jìn)行疊加，終就會產(chǎn)生大影響。

他以航空發(fā)動機(jī)的渦輪盤舉例。渦輪盤是經(jīng)典的粉末冶金工藝，包括原材料制粉、粉末處理、熱等靜壓、擠壓成型等多個工藝，這些都對材料制備、設(shè)備控制、人員素質(zhì)、管理水平甚至下游應(yīng)用有著很嚴(yán)格的要求。

“為什么現(xiàn)在國內(nèi)很多材料能做出來，卻質(zhì)量穩(wěn)定性不足？材料工藝水平在很大程度上體現(xiàn)了一個國家工業(yè)技術(shù)的水平?！眲⒔B軍對《大國之材》表示。材料的研制工作不一定是花費時間夠長就可以的，基于扎扎實實做事基礎(chǔ)上的持續(xù)高強(qiáng)度投入才能縮小與國外的差距。

“教育理念和思維方式都需要轉(zhuǎn)變。”

在教育層面，劉紹軍對比了美國大學(xué)與國內(nèi)大學(xué)教授的背景。美國的材料系教授大多為物理和化學(xué)等理科背景出身，對基礎(chǔ)性材料科學(xué)問題的研究很扎實。大學(xué)教育更注重培養(yǎng)學(xué)生提出和解決問題的科學(xué)思維能力；相比較，國內(nèi)材料學(xué)科的教授大多是工科背景出身。在人才培養(yǎng)方面更多是往“工匠”的方向培養(yǎng)，缺少思考“為什么”?！爸挥芯邆湓鷮嵉膶I(yè)基礎(chǔ)和科學(xué)的思維方法，才能成為具有創(chuàng)新能力的人才?！?

在“計劃經(jīng)濟(jì)”思維層面，他分析道，材料的品種很多，但每個品種的量比較少，需要長期的技術(shù)積累過程，通過“計劃”的方式來實現(xiàn)是比較難的?！斑@跟種莊稼一樣，你現(xiàn)在問我要糧食，但我什么都還沒種，怎么給得出來呢？”