6月24日,2023年度国家科技奖在京揭晓,共评选出250个项目和12名科技专家。其中,国家最高科技奖2人,国家自然科学奖49项,国家技术发明奖62项,国家科学技术进步奖139项,授予10名外国专家中华人民共和国国际科学技术合作奖。本报记者正常采访了部分获得国家科技奖一等奖的高校团队。
上海中心大厦、北京大兴国际机场、江苏江阴长江大桥……目前,由我国研发的电涡流阻尼新技术正在大型桥梁工程、重要建筑工程领域大范围的应用,有效确保了这些国家重大工程建设项目在大风中“岿然不动”。
研发这项技术的是中国工程院院士、湖南大学土木工程学院教授陈政清团队。从2006年以来,陈政清带领团队潜心扑在电涡流阻尼技术的研究中,取得了耗能减振领域的革命性突破,研发出了大型结构减振缓冲的永磁电涡流阻尼新技术及装备,性能远超传统的液压阻尼器,确立了电涡流阻尼新技术的国际领头羊。目前,该技术已实现产业化,推广应用于国内外113家单位,为工程结构减振带来了“中国方案”。
6月24日,从国家科学技术奖励大会上传来喜讯,陈政清团队的研究成果“永磁电涡流阻尼减振缓冲耗能新研发技术与应用”获得2023年度国家技术发明奖一等奖。
随着经济的加快速度进行发展,我国大桥建设项目慢慢的变多,跨度慢慢的变大,桥梁受到大风、车辆行驶的挑战也慢慢变得大。跨度大了,桥梁结构刚度就变小,大风吹过、车辆驶过都会有振动,危害很大。
针对以上问题,需要用阻尼器来减小振动。直到21世纪初,我国大桥减振广泛使用的是国外的液压阻尼器,国内公司缺乏相应的大型阻尼器设计、制造能力。然而,这些进口的大型液压阻尼器在使用3—5年后,往往因机械摩擦而漏油失效,不仅需要耗费大量资金维修与更换,也对重大基础设施的安全构成威胁。
能不能摒弃油阻尼器,将电涡流阻尼技术应用于大跨桥梁减振?瞄准桥梁减振这一工程领域急需破解的重大难题,陈政清带领团队踏上了攻坚之路。
整整两年时间,陈政清和团队泡在实验室里,经过大量方案论证、仿真分析和试验,终于发明了结构紧密相连、高耗能密度的双背铁板式电涡流阻尼器。这种阻尼器工作寿命可与桥梁结构的设计使用年数的限制相当,使用期间不需要维护,不仅能极大地降低大跨桥梁的维修成本,而且大幅度提高了结构安全水平。
此后,陈政清团队继续潜心攻关,不断突破技术瓶颈,又先后发明了永磁电涡流阻尼器、大吨位永磁电涡流阻尼器、火炮永磁电涡流阻尼外置式缓冲器和火炮同轴制退技术等,不仅在大型桥梁工程、重要建筑工程、电力工程、新能源工程等领域实现了应用,而且还在武器装备制造、航天科工等领域开展了应用研究,赢得业内交口称赞。
陈政清说:“咱们不可以跟在别人后面走,要注重源头创新。”电涡流阻尼技术就是他时刻注重“源头创新”的结果。
电涡流阻尼发现已有100多年,但之前只用于车辆减速的缓速器,处于“能减速不能减振”的状态。
其中的重点是,只有突破电涡流阻尼耗能密度低、超过临界速度后阻尼力下降这两个技术瓶颈,才能用于工程结构减振缓冲。
针对这两个难题,陈政清带领团队潜心研究,建立了基于最短磁路原理的电涡流阻尼优化设计方法,大幅度的提升了电涡流阻尼耗能密度,研发出了适用于大型工程结构减振的电涡流阻尼器系列新产品,并建立了电涡流阻尼强非线性本构关系精确模型,揭示了电涡流阻尼器高速工作时性能退化的原因,为优化相关这类的产品提供了理论指导和技术支撑。
这套技术不仅是具有我国自主知识产权的大型结构电涡流阻尼全套技术,也是一项国际减振领域的原创技术。目前,电涡流阻尼技术已在国内杭瑞高速洞庭湖大桥等100余座桥梁和建筑上应用,并且走出国门应用于国外大型建筑的减振。
研究遇到困难时,陈政清始终没放弃。他说:“我们应抓住契机,开发出具有完全自主知识产权的新技术,让中国人在工程结构减振领域作出一项新贡献。”
“工程科学研究需要把理论成果应用于解决实践中的问题,把科研成果转换成生产力,让科研成果走出实验室、走向实际工程,在实践中凝练科研团队、培养前沿人才。”陈政清经常这样说。
“搞科研只要服务于国家需要,服务国计民生,就值得去做,高校教师应有这个态度。”陈政清说,“科研成果的推广,高校教师一定要放得下架子,不要怕丢面子。”
在一次学术交流中,陈政清了解到,国防领域也对高性能减振、缓冲技术有着迫切需求。他立即带着张弘毅等小组成员拜访了一所国防高校,在深入交流后,双方碰撞出了利用磁阻尼解决某兵器缓冲问题的初步思路。该校一位军工领域的资深专家说:“陈院士,您这个设想若能够实现,那将是兵器缓冲领域的第三次革命!”
在随后的几年中,陈政清带着团队从基础原理出发,提出具体的技术方案,再经过多轮的实验室测试,在最终的实地测试中,多组测试工况全部一次成功,项目获得了部队有关部门的高度评价。
2015年一个晚上,读硕士时师从陈政清、已毕业参加工作的陈谨林接到了陈政清的电话。“当时,陈老师在电话里和我说,‘你参与研究的永磁式电涡流阻尼技术,能大幅度提升建筑和桥梁的抗振安全性,希望你回来读博,参与推动这项科技成果落地转化,把科学研究的实验品转化为服务祖国建设的产品’。”陈谨林说。
陈政清的话深深地打动了陈谨林,他毅然决定回学校读博,开展科研成果转化工作。在陈政清的指导下,陈谨林将创新和创业融合发展,收获了丰硕的果实。现在,他雄心勃勃,规划将创办的企业打造成为全世界减振领域的龙头企业。
近年来,随着浅部能源资源开采逐渐枯竭,深部矿产、油气等能源资源开发成为热点。
然而,当那些大型自动化开采机械在地下轰鸣时,原本沉寂的岩体会突然变得“暴躁”起来,垮塌、冲击地压、瓦斯突出等工程灾害可能随之而来。诱发这些灾害的根源就是深部开采不得不面对的劲敌——岩体应力场演化。
历经近20年不懈攻关,中国矿业大学(北京)教授鞠杨团队协同四川大学、深圳大学、煤炭科学技术研究院有限公司,发明了深部岩体结构及应力场透明解析技术,突破了工程扰动下岩体应力场演化“看不见、摸不着”、难以量化解析的难题,成果荣获2023年度国家技术发明奖一等奖。
岩体工程灾害是制约深部能源安全高效开发的核心难题。“我们要像医生一样,会使用CT等各种仪器设施‘透视’岩石内部结构及应力演化行为,找到引发岩石灾变的内在原因,并作出灾害的研判和预警。”鞠杨比喻说。
他介绍,为实现“透视”岩石复杂结构与应力场演化的目标,项目团队研发了国际首台套真三轴扰动荷载下岩石原位CT成像实验系统,突破了岩石复杂结构演化精细识别和准确刻画的难题;发明了岩石三维应力场透明解析方法与装置,解决了现存技术无法获取扰动荷载下岩石内部三维应力场的技术难题,实现了岩石应力场透明解析方法和装置从无到有的突破。
岩体灾变应力场透明解析是深部能源开发中的颠覆性技术。近20年来,鞠杨团队始终扎根这一前沿领域,夜以继日地开展关键技术攻关。
攻关过程中,为了平衡好教学和科研工作,小组成员们常常周五下课后,就直奔矿区考察、分析、设计和研判方案,周一早上又风尘仆仆地准时出现在课堂上。每当假期来临,他们选择与矿区为伴,为了取得至关重要的第一手现场参数,常常连续24小时坚守在井下。
这个过程中,团队成功解决了数字透明模型构建、透明材料研发、核心设备研制、智能预测平台开发、工程现场测试及应用等诸多环节中的理论与技术难题。
“首次引领性研究”是国内外院士专家对这项成果的一致评价。该技术成果支撑了我国岩体工程灾害防治靶向治理与源头防控技术的发展,为助力我国在有关技术领域处于世界领跑地位作出了重要贡献。
走出实验室,如今,这项技术成果在国家大型能源企业及重大工程建设中大显身手。
国家能源集团神东保德煤矿是我国特大型高瓦斯矿井,在这里,开采扰动应力错综复杂,瓦斯压力高、精准治理困难,开采过程仿佛是与地壳深处的那股未知力量进行一场艰难的较量。
然而,面对挑战,研究团队与工程技术人员们并未退缩。他们紧密合作,协同攻关,运用该项目的尖端技术和成果,指导了定向钻孔、采动卸压抽采等工艺措施,瓦斯被精准高效地抽采出来,不再对煤矿生产构成威胁,确保了大型自动化和智能化采煤设备的安全使用。通过该项目的实施,瓦斯治理理念实现了由“经验化”向“科学化”的转变,不仅提升了治理效率和精度,更为煤矿的稳定安全生产提供了强有力的支撑。
在胜利油田,针对非常规油气开发过程中面临储层改造技术挑战多、采收效果评价难等问题,项目团队与油田技术人员密切合作攻关,运用该项目技术和成果,指导和优化了储层压裂设计的具体方案,大幅度的提高了油藏采收率。
鞠杨介绍,项目成果在我国大型煤炭生产基地推广应用,在岩体灾害防控方面取得了很明显的成效。相关成果还拓展应用于川藏铁路、城市地铁等国家重大工程和重点民生工程,提升了工程安全性。
着眼国家能源安全重大战略需求,鞠杨团队所在的煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室,不仅建立完善了煤炭智能安全开发理论与技术体系,还培养了一大批新生代专业方面技术人才。在这里,学生有机会投身国家自然科学基金创新研究群体项目、国家重点研发计划等国家重大科研项目的攻关中,将行业前沿的科研项目转化为实践锻炼的“练兵场”,培养自己的创新思维和解决复杂工程问题的能力。
“科学技术创新的过程,本质上是一个不断纠错、持续迭代的长周期过程。对于前沿性、基础性的复杂问题,想要实现‘从0到1’的突破不是一蹴而就的。”鞠杨说,项目团队在攻关过程中,坚持以行业前辈院士专家严谨求实、开拓奉献的精神激励团队每一名成员,以甘坐“冷板凳”、潜心研究的工作作风要求自己并影响学生,团队一直秉承从科学问题的源头和底层理论做起,扎扎实实练好基本功。
同时,多学科交叉融合已成为工程科技创新的新常态。鞠杨认为,要独辟蹊径解决复杂工程问题,就要尝试打破固有学科领域界限,以“他山之石”突破本领域学术瓶颈。
近年来,该实验室涌现出包括中国工程院院士、国家重点研发计划项目负责人、国家杰出青年基金获得者等高层次人才20余人,他们都成为实验室科技攻关的主体力量。
采访过程中,团队合作是鞠杨反复谈及的关键词。“我们的团队融合了高校、科研院所、企业中从事深部岩体力学与灾害防治研究的知名学者,大家发挥各自优势,相互配合,协调攻关,让我国岩体灾变应力场透明解析技术走在了世界科学技术前沿。”鞠杨表示,研究团队将继续努力,进一步创新岩体应力场透明解析相关理论、技术和装备,拓展有关技术应用,为我国深部能源安全高效开发保驾护航。
射频系统是现代通信中至关重要的一部分,大范围的应用于无线通信、感知探测、汽车电子、航空航天、智能系统等诸多领域。在现代信息社会,射频系统与人们的生活息息相关。然而,作为射频技术与产业链源头基础的设计自动化技术,却是我国长期受制于人的“卡脖子”痛点。
由中国科学院院士毛军发领衔的“射频系统模块设计自动化关键技术与应用”项目,打破传统“路”的设计思维,以“场”分析为基础,场路结合,将量化分析贯穿到设计、制造、封装、测试技术全链条,取得了多项关键技术突破,实现了我国射频系统模块设计自动化技术基本自主可控。在6月24日召开的国家科学技术奖励大会上,该项目被授予2023年度国家科学技术进步奖一等奖。
早在20世纪80年代,毛军发在自己的博士导师李征帆教授的指导下,率先在国内开展射频与高速电路研究,提出了多项重要电磁分析算法。之后,他带领上海交通大学团队,在射频领域深耕数十年,取得了一系列具有国际影响力的学术成果,并在许多重要企业获得应用。
“我们从事应用基础研究,要真处理问题,解决真问题,使问题真解决。”毛军发总是这样说。
传统电路设计采用“路”的思维,设计师们把各种电路器件排列在基板上,将其一一互连起来,保证各项功能正常运行。当工作频率慢慢的升高,电路结构的尺寸与波长越来越接近,电路内部和电路之间电磁场的作用就会慢慢的强,已无法忽略电磁场对电路系统性能的影响。
项目团队突破设计关键技术,研发出我国首套及系列射频系统模块设计自动化软件,打破国外垄断,实现基本自主可控,形成了自主知识产权体系。
射频系统的设计研发离不开设计自动化软件,而射频设计自动化软件曾长期被国外企业垄断,严重制约了我国射频技术和产业的自主发展。
针对射频系统模块设计自动化方法工具的迫切需求,毛军发组建和领导技术团队,凝练关键科学问题,产学研用紧密协作,开展核心关键技术攻关。
面向国家重大需求和经济主战场,项目团队强化担当作为,锚定前行方向,经过四代师生的不懈努力,终于取得突破。
这一项目突破了射频系统建模仿真、设计优化、集成封装等关键技术,自主研发出国产射频设计自动化成套软件,并用以设计研制了一系列性能优异的射频电路系统产品,建立了IP库。整体技术达到国际领先水平,多项核心技术指标优于国际同类主流商用软件,达到国际领先水平,部分工具填补了国际空白。
项目研发出的国产射频设计自动化成套软件已用于我国无线通信、航空航天、汽车电子、计算机、半导体、人工智能等重点行业的500多家企业,并向多家行业知名跨国公司出口。其中一款芯粒—先进封装联合仿真工具,被国际头部客户评价为“在仿真时间和内存消耗方面提供了业界前所未有的性能优势”。
国产射频设计自动化成套软件已被用以自主研制出600多款射频芯片、组件与微系统产品,量产超过20亿颗,在100多款国产5G基站/终端型号产品和多个国家重大工程中应用,集成无源器件芯片市场占有率居国内首位。
“单一芯片再先进,只有在系统中才能发挥作用。”毛军发提出,发展集成系统是实现射频等复杂微电子系统的重要技术途径。在算力需求与日俱增的今天,集成系统模块设计思想的重要性更加凸显。毛军发预测,未来60年很可能是“集成系统”的时代。
目前,团队的研究工作正在从射频系统进一步扩展,致力于集成系统技术的进一步攻关。异质异构集成微系统、封装中天线、记忆智能射频电路系统等集成系统的雏形技术加快速度进行发展起来,该设计思想有望在不久的将来推广到更多应用领域当中,为我国新质生产力加速发展和引领国际电子技术方向作出新的更大的贡献。
6月24日,2023年度国家科技奖揭晓,西安电子科技大学微电子学院教授马晓华牵头的“高能效超宽带氮化镓功率放大器关键技术及在5G通信产业化应用”项目荣获国家科学技术进步奖一等奖。该项目有效解决了氮化镓功率放大器在高效率、宽带宽、线性度等方面的问题,形成了全链条自主可控的氮化镓射频功放技术体系,实现了全球规模最大的5G通信产业化应用。
成绩的背后,凝聚着西安电子科技大学宽禁带半导体团队数十年的研发心血。多年来,这支拥有30多名教授、副教授,30多名青年教师,以及150多名硕博研究生的科研团队,瞄准宽禁带半导体前沿技术,勇担强“芯”使命,深化产学研用合作,推动我们国家宽禁带半导体技术探讨研究迈向国际先进行列,为我国宽禁带半导体的发展树起了新的里程碑。
20多年来,宽禁带半导体团队主动服务国家高水平科技自立自强,持续深耕化合物半导体材料和器件领域,努力突破“卡脖子”技术,走出了一条“顶天立地”的科学技术创新之路。
团队聚力建设国内一流宽禁带半导体领域人才中心和创新高地。建立老中青“传帮带”机制,形成“华山领军教授—特聘教授—菁英教授—准聘副教授”多层次人才培育网络,帮助优秀人才脱颖而出。团队带头人郝跃院士发起设立“芯缘科创基金”,鼓励“从0到1”突破,激励青年人才科研创新。
团队瞄准新一代半导体射频器件、功率器件、探测传感器件等重大关键技术,致力于攻克频率、功率、效率、可靠性等亟待解决的关键科技问题,已经实现了多项关键核心技术突破,氮化镓器件效率持续刷新世界纪录,近5年获省部级以上成果奖8项,带动我国第三代半导体达到国际领先水平。近两年来,团队多名成员先后入选国家级和省部级各类人才支持计划。
为了打造符合时代和行业发展需求的高水平育人体系,宽禁带半导体教师团队紧跟行业发展前途,及时增设“纳米电子学基础”等前沿课程13门、新增新实验35个,组织并且开展青年教师示范观摩课、教学质量提升研讨会、华山学者引领计划、一流课程传承与发展等研讨会,力图将团队人才优势转化为人才教育培训新势能。
团队将思想政治工作贯穿教育教学全过程,帮助“芯”青年厚植家国情怀,传承“芯”火希望。2017年,在学院党委号召下,微电子学院一群学生组成红色朝阳班,由郝跃担任班主任,形成特色鲜明的党建导学思政工作体系。微电子学院院长郑雪峰说:“要让学生对于解决材料、器件、工艺等基础性问题有一种责任感和使命感,激发他们深入探索专业相关知识的兴趣和主动性。”
基于此,他们建设课程思政典型案例库,修订融合思政元素的培养方案和课程大纲,构建以兴趣为导向的“1+3+10”的网格导学体系和“五位一体”的育人活动体系等,在探索全过程思政育人方面拓宽载体、丰富内容、强化师资,将思政元素融入课堂教学、日常生活所有的环节,实现立德树人润物无声。
晶圆加工、氧化、光刻、刻蚀、薄膜沉积……在西安电子科技大学宽禁带半导体国家工程研究中心实验室,身穿超净服的师生有条不紊地忙碌着。作为产学研用一体化平台,中心对标国际一流科研机构,整体规划建设2.2万平方米实验大楼和2800平方米超净实验室,高标准搭建“材料—器件—分测”研究工艺线,建成全国高校内唯一兼容4至6英寸的宽禁带半导体技术创新平台。
“依托这样的平台,学生能够最终靠半导体设计、制备、测试等全流程的工艺实践,将一些创新的想法落地。”微电子学院教授祝杰杰说,整个研究与产业应用结合得非常紧密,这些创新性成果能够明显提升产品应用性能。
为推动产学研用深层次地融合,宽禁带半导体团队积极与区域经济社会持续健康发展和行业、产业需求对接,共同探索重点产业和新兴起的产业升级发展中的前瞻性、先导性、探索性技术问题。同时,积极与有突出贡献的公司开展全链条合作,协同开展行业共性技术攻关。
团队还与企业在师资培养、课程设置、教材开发及工具培训等方面深入合作,构建起校企深层次地融合、产教协同育人体系。目前,宽禁带半导体团队年均毕业本硕博学生近千名,是国内高校集成电路领域人才教育培训顶级规模、培养质量一流的人才基地。
6月24日,2023年度国家科技奖揭晓,中国工程院院士、吉林农业大学教授李玉领衔申报的“食药用菌全产业链关键技术创新及应用”项目荣获国家科学技术进步奖一等奖。
从2017年开始,李玉带领团队在陕西省商洛市柞水县开展食用菌产业助力脱贫攻坚,在柞水建成独具特色的“木耳小镇”,2023年产生经济效益约12.27亿元,成果应用覆盖东北三省、河南、河北、山东等28个省份。
1978年,34岁的李玉来到吉林农业大学攻读硕士学位,3年后留校任教。经过多年的菌物学研究与食药用菌产业推广,李玉以菌物多样性保护与可持续利用为菌物资源保护体系的基本功能定位,建立了菌物资源“一区一馆五库”保护体系的运行架构。“通过建立菌物保育区、菌物标本馆,以及菌种资源库、菌种活体组织库、菌种有效成分库、菌种基因库、菌种信息库,建成国际领先、年入库量全国最多的食药用菌种质资源库,为世界菌物资源保育提供了中国方案。”项目团队核心成员、吉林农业大学食药用菌教育部工程研究中心主任李长田告诉记者。
为了更好地了解食药用菌的资源分布情况,项目组奔赴全国21个省份,以及俄罗斯、白俄罗斯等国家开展食药用菌资源研究,共计251个采集点,跨越多个气候带,采集、鉴定标本近2.98万份,在国际上首次命名1个新属,发表29个新种,研究订正了中国食用菌名录936种、药用菌名录473种。
做强“食药用菌芯片”,端牢“中国菌粮饭碗”,这是新时代赋予菌物科研工作者的历史命题。
40多年里,李玉团队对于食药用菌的研究,包括了从种源到新品种示范的全套创新理论与突破性技术。
20世纪70年代初,木耳栽培利用林区采伐下来的枝丫或林地更新下来的非贵重树种进行段木栽培。李玉团队率先提出并践行“木腐菌草腐化”理论,木腐菌从“吃木”变为“吃草”,生产1吨食用菌干品即可消耗1.33吨秸秆,经济效益提升3.42倍,累计消耗农业废弃物1.24亿吨。采用黑木耳全日光间歇弥雾栽培和小孔出耳技术,实现黑木耳大田“地栽”革命性转变,种植培养面积36年跃升1000倍。同步采用的低中高温“三菌连种”周年栽培技术、“两棚制花菇生产”技术、食药用菌精准化生产的物联网技术、智慧方舱精准栽培技术等,解决了菌种继代多、不稳定,控制品种生物特性的生产参数不精准等问题,破解了适应农村复杂条件的全能栽培难题。
在李玉的带领下,科研团队将香菇、金针菇、杏鲍菇从福建古田、浙江庆元等地依次引入河南、河北、东北三省及内蒙古等地区,把小木耳推广到陕西柞水、浙江丽水、贵州印江等地,“南菇北移、北耳南扩”慢慢的变成了现实。就地生产,不仅降低了运输成本,也带动了当地经济发展,提高了食用菌的生产效率和经济效益。
全产业链的发展,不仅带动了新品种核心产品的诞生,也攻克了食用菌质构重组全株高值化利用技术,食用菌可食化率从70%提高到100%,构建活性成分多组学筛选评价技术,创制药用菌新产品46个,成果转化为企业增收5.6亿元。
以李玉为代表的几代菌物科研工作者,把汗水洒在了田间,把论文写在了广袤大地上。食用菌全产业链关键技术创新及应用,推动了经济效益、社会效益、生态效益的同步提升。
1998年至2020年间,项目实施累计助农产值超过4023.97亿元,关键技术应用于全国28个省份,带动当地农民增收致富,助推我国成为食药用菌第一生产国。
小木耳也在脱贫攻坚、乡村振兴的大舞台上成为重要支柱。在脱贫攻坚中,全国592个贫困县中有72%首选食药用菌产业助力脱贫。吉林黄松甸从种植作物自然环境禀赋差的贫困镇,变成了全国十大食药用菌生产基地之一,90%以上的村屯发展食药用菌产业,95%以上的农户从事与食药用菌相关产业,实现了脱贫致富。
不仅培育食药用菌,还要培育食药用菌的“研究者”。从全国第一个“食药用菌”专科专业到国家首个菌物科学与工程一流本科专业建设点,40余年来,吉林农业大学建成了国内外首个本硕博完整的菌物学学科发展体系和人才教育培训体系,形成了全方位的菌物科学研究领域和全链条的人才教育培训模式。李玉已累计培养菌物学领域硕士研究生超过200名、博士研究生100余名,他们中的大多数人已经成长为我国菌物产业的领军人才或骨干力量。
“我们要面向世界科学技术前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,走出一条中国特色自主创新道路。”李玉和他的团队对未来充满希望。(本报记者 阳锡叶 焦以璇 任朝霞 冯丽 杜亚丽 通讯员 余杏 樊伟 赵明家6月24日发自长沙、北京、上海、西安、长春)