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在喻家山下有一座神秘的建筑，里面的装置能产生地球200万倍的磁场强度，加工金属像是“隔山打牛”。这里就是国家脉冲强磁场科学中心（下称“强磁场中心”）。
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* |1 |! }0 I4 F 4月初，该中心刚刚完成直径1.38米的世界最大电磁成形件——航天用铝合金壳体。下月，直径3.35米的电磁成形件也将破茧而出。电磁制造工艺颠覆了传统制造工艺，作为一种变革性技术手段，不仅在基础研究领域，在航空航天、新能源和医疗等领域，强磁场中心走在前沿。
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& U- E4 o2 D; c F% e9 y ■ 电磁制造如“隔山打牛”7 v, O4 E3 f" x2 E' Z
0 X7 o H5 c- |3 D/ ~6 p 4月2日，长江日报记者走进位于华科大的强磁场中心。在电磁制造实验室，穿过数十米长、三米高的电容器件组成的“森林”小道，道路尽头的电磁成形装置上，直径1米多的金属构件被夹具牢牢控制。5 |$ ^$ J, c' H5 o+ H. }3 j; o
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“虽然能产生强磁场，但这里电压都只是380伏。”一名博士后检查完铝合金构件的放置情况后，关上实验室大门，合上按钮，一场电磁加工实验正式开始。没有火光四射，摄像头下的加工现场显得很安静。“跟‘隔山打牛’一样，好比有一双看不见的手，对加工部件施加巨大力量。”强磁场中心主任李亮教授解释，之所以用电磁加工制造大型金属构件，就是要解决传统生产工艺高耗材、成型精度差的问题。加工同样厚度的材料，传统金属加工工艺要浪费90%以上的原材料，而电磁制造则只需要过去10%的原材料。7 r) t% D- @7 z' l+ v5 {
+ d2 u6 {4 ?6 C* y0 k; l 这里的电磁成型制造技术于2011年获国家“973计划”支持，经过10多年努力，现在才可以说真正落地。该技术是利用脉冲强磁场与金属构件之间的电磁耦合作用来产生强脉冲电磁力，虽然看不见摸不着，但瞬间爆发，力量很大，而且灵活多变。! f ?" v: `5 T4 |, h( w8 g( M+ {
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李亮介绍，目前，该中心已成功研制世界上首台电磁压边—工装—成形一体化原型样机，已实现直径1.38米的国内外最大电磁成形件——航天用铝合金壳体件整体成形制造。下月，他们将完成3.35米级火箭燃料储箱箱底的电磁整体成形制造，为我国火箭产业提供变革性技术手段和新质生产力。 q6 e- A" i) K6 u/ g ]
! p3 U9 X9 o# A% x9 K* W 用脉冲强磁场加工大型构件，属于“特种能场制造”。“成形过程中构件速度可超过100米每秒，在几毫秒的时间内即可让构件轻松完成高质量的塑性变形，形成我们需要的形状和性能。”强磁场中心曹全梁教授说，电磁成形制造工艺让有些传统制造工艺望尘莫及。“不仅材料利用率大大提升，加工成本和周期也显著降低。” 6 a6 x# N& {9 l- q. M
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■ 焊接可实现“拉郎配”
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4 o6 k8 b/ n5 {4 G 在电磁制造实验室，一段钢管和一段铝管放置在焊接装备上，轻启按钮，眨眼工夫便紧紧粘在一起，再也分不开。“钢和铝属于异质材料，物理和化学属性不一样，熔点也不一样，传统焊接工艺无法让二者成为一体。”曹全梁解释，电磁焊接是在脉冲强磁场作用下，利用瞬时脉冲电磁力对金属构件进行高速冲击焊，是一种高能率、高速率的特种加工方法。“类似于爆炸焊，但又不是真的爆炸，是完全可控的。”
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曹全梁手持钢铝焊接体告诉记者，经验证，焊缝强度超过铝/钢母材强度。目前，电磁焊接技术已在多类板件焊接中得到验证，未来完全可以实现规模化应用。“因为强磁场中心在高场磁体、精准时序控制等方面实现了全链条创新，已完成全球最大直径的异种金属管件焊接，相关技术路径已经打通了。”. s7 ~1 M8 W, v4 x
/ w: _. p% j* `) b 首先在实验室打通技术路径，然后走向市场实现产业化，不停孵化新质生产力是国家强磁场中心科学家的追求之一。8 ^7 y! }4 v8 T1 N
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曹全梁解释，脉冲强磁场的工作原理是先把能量储存起来，然后瞬间爆发，好比一个手电筒，有电池、电源和开关，强磁场是用电容器存储电能，然后通过“开关”瞬间释放，获得强大的磁场强度。) i* j* m3 Q) b2 m( E( m8 k
, V; y, ` a7 N" M. w 脉冲强磁场技术的发展对于轻质构件电磁成形制造能力的提升及应用拓展至关重要。目前，强磁场中心已实现94.88特斯拉的最高峰值磁场强度，约是地球磁场强度的200万倍，并创造了64T平顶脉冲磁场世界纪录。$ @2 r* e6 `3 o/ r) \, U
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这里面的关键技术是脉冲磁体在高能量冲击载荷下而“不爆”，实现力学稳定性；另一方面，在强电磁工况、极短时间内调控磁场波形，在毫秒级别释放能量，为我所有。“这些都是世界性难题，都被我们攻克了。”# Y- p- }% K! O7 F
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■ 给大型风电机“充补退磁”
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: }9 b; M/ i+ s: o3 y3 j 去年9月29日，在中车永济电机有限公司风力发电机生产现场，高1米的永磁风力发电机转子被放置在旋转台上，一旁由充磁电源、充磁线圈和推进系统组成的充磁装置“身躯”同样庞大——长5米、宽4米、高3米。. t+ l8 \: a5 u6 @
! y8 {, Y5 H+ M& Z2 e9 t/ W1 | 随着电闸合拢，强大的电流发出“吱吱”声，瞬间便完成一个磁极的充磁。1小时后，这座20兆瓦全球最大单机功率风力发电机转子所有磁极完成充磁。“就像给轮胎充气一样。”一旁的李亮教授很是兴奋，“这不仅能大幅提高生产效率和生产安全性，也降低了生产成本。”" i+ Y a, I( A) j+ Z
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“没有脉冲强磁场就没有办法孵化出整体充磁装置。因为整体充退磁对磁场要求更高，尤其是设计要求，只有掌握脉冲强磁场强磁的产生与调控技术，才能实现整体充退磁。”2001年，李亮教授在国际上首次提出大型永磁电机“无磁装配—整体充退磁”方法。经过多轮试验，这项技术在强磁场中心获得验证，并最终打通兆瓦级充退磁技术路径，近年相继走向市场。
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2 Q# b* v. J, M 中车永济电机有限公司副总经理、总工程师戴碧君自豪地表示，成功实现20兆瓦半直驱永磁风力发电机转子的整体充磁，表明我国已在大型永磁风力发电机高性能制造方面处于国际领先水平。
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) \* v, b0 e' F. L 李亮介绍，传统退磁采用热退磁，需要将数百吨转子加热到300℃以上，并保持12小时以上，不仅能耗巨大，而且磁极的报废率达到40%。采用新的退磁技术后，不仅能耗大幅下降，退磁时间也从12小时以上缩短到100毫秒，磁极的报废率下降至1%。“直接退磁技术，不到1秒钟就可以完成退磁。而补磁也像给自行车轮胎补气一样快捷。”
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国家能源局官网数据显示，截至2023年10月底，我国风电装机总容量达4.04亿千瓦。大型风电机一般寿命在20年左右，在风电装机容量不断增长的同时，早期投运的风电机组将迎来大规模“退役潮”。9 R; U. z# f% D: m1 A+ H. R4 F1 R
' t! i0 r5 c$ D; } “我们已经制造了一套充、退、补磁一体化装置。”在李亮教授的规划中，“充磁”对应永磁电机的制造，“补磁”对应永磁电机的运维，“退磁”对应永磁电机的回收利用和再制造。目前，整体充退磁技术已在湘潭电机有限公司、中车永济电机有限公司等多家单位成功应用，还可广泛应用于高铁驱动电机、电动汽车、磁悬浮列车、永磁核磁共振成像仪、飞轮储能电机、轮船驱动电机以及航空航天高速电机上，产业前景巨大。 9 `6 Y8 F# S) z6 N) E( B3 z
3 b' Q5 ?) q M ■ 磁控软体机器人“可诊可疗”% a6 D2 G% b2 B6 F7 J( A
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相比于充磁装置的庞大身躯，强磁场中心孵化出的磁控软体机器人也在不断迭代。今年2月29日，《自然·通讯》在线发表了李亮、曹全梁教授最新成果——新型磁控胶囊机器人最小尺寸仅5.8毫米×13毫米。- D* ~4 S2 ?- m' E; q. ^
) d+ U6 r# ]' N0 i 据悉，现有磁控胶囊机器人主要采用内置永磁体的设计模式，普遍存在体积大、载药量低以及医疗功能单一等问题。李亮团队将磁控软体机器人技术引入到胶囊结构设计中，在传统密闭式胶囊本体结构中构造了独特的磁性软体通道，可实现无磁场下的胶囊通道自主关闭和外加磁场下的柔性可控。
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2 x" |) u3 A3 P8 G* g* y! J 李亮表示，磁控胶囊机器人可轻松进入人体，把诊和疗结合起来。例如，磁控胶囊机器人进入人体胃部，发现病灶后可进行投药，目前已在新西兰兔身上实验并获得成功，展现出在胃肠道疾病诊疗中的应用潜力。
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6 J; A% x+ J" n6 q ■ “追磁”的引才与留才
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; `/ h6 g# b; d, @4 l “中国的脉冲强磁场设施是国际上最好的同类设施之一，为我们提供了最好的技术支持。”剑桥大学卡文迪许实验室苏次塔·赛巴斯提安教授2016年10月26日第一次来到国家强磁场科学中心，此后她和团队每年都要在武汉待上一个月做科学实验。
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, B/ H2 v# M& I/ Z, b; P' _! o, C 在强磁场中心朱增伟教授的帮助下，苏次塔借助中心脉冲强磁场设施的实验条件，将取得的科研成果发表在《自然·物理》期刊上。苏次塔还获得2022年的“科学突破奖”，表彰她在高精度的电子和磁测量研究上作出的卓越贡献。苏次塔说，如果没有脉冲强磁场实验条件和服务，他们的研究也将很难开展。
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3 p S. J4 x6 h! E. Y 朱增伟告诉记者，苏次塔等能来武汉做实验，源于强磁场中心面向全球用户开放共享。这不仅提升了强磁场中心国际影响力，也让其成为全球名副其实的“追磁”中心，就连他自己也是“追磁”者之一。
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2014年，时年33岁的朱增伟辞去美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的博士后研究工作，回到刚刚建成不久的华科大强磁场中心，他在揭示新量子物态相变等领域不断取得新的成果。- s/ O0 L# Q8 @ ^* }" w/ n
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“感觉比国外的实验条件更好。”朱增伟索性在武汉安家，带了8个博士4个硕士，幸福的科研生活被拉得满满的。
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) i4 M9 v8 B' b) d; R4 ~! k0 E2 L 跟朱增伟一样，今年34岁的李靖教授也作出同样的选择，2021年2月辞掉美国国家强磁场实验室的工作，来到华科大强磁场中心。让他没想到的是有些建设指标超过美国，如磁场磁体的孔径比美国要大。“国家对年轻科学家支持很大，也愿意把科研交给年轻人，这在国外是体会不到的。”李靖说。% w& K% v, L0 e% U0 F+ t
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“吸引人才也是为了留住人才，强磁场中心高端人才比例是全校最高的。”李亮自豪地表示，作为落户湖北的首个大科学装置，脉冲强磁场建成之初便吸引来自世界各地的科学家，国家强磁场科学中心已成为全球“追磁”中心。# }( t6 S, o& ?
: ?5 a! }1 ?0 w% y/ `! T ■ 5年走完西方20年走的路3 K. L2 \1 V; J5 x* q8 H( I8 B
, R$ q _% d2 Q& B& }2 u/ ? 据悉，大科学装置是指面向国际科技前沿、瞄准重要科技目标的重大科技基础设施。20世纪80年代，国外利用建成的30多个脉冲强磁场实验装置，开展各领域前沿科学研究，获得多项诺奖。而我国由于长期缺乏这类装置，在这方面几乎一片空白。想在强磁场环境下做实验，只能借用国外的实验室，往往丧失科研先机。
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“落户华科大是顺势而为。”2001年，中国工程院院士潘垣首倡建设脉冲强磁场。2007年，在美国GE公司担任技术骨干的李亮，应时任华科大校长李培根院士邀请，毅然回国主持建设脉冲强磁场实验装置。
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李亮遇到的困难非比寻常：发达国家的脉冲强磁场装置往往是通过高强、高导线材，以及高功率、大能量脉冲电源，来突破电磁应力和温升两大因素的制约。“而国际上，这些关键技术和装备均对中国实施封锁。”
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为提高装置运行效率，建设团队没有照搬国外经验，而是从无到有白手起家。每一张电路设计图都由团队自己绘制，每一个零件都是团队自己安装调试。强磁场装置关键核心材料、部件全都通过自主研发实现了国产化。
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“这么先进的装置零部件的国产化率达到85%，进口设备只有一些标准测量仪器，占比不到15%。”李亮自豪地表示，脉冲强磁场实验装置于2008年4月正式开工建设，2013年10月建成，2014年10月通过国家验收并正式对外开放。装置的建成使我国脉冲强磁场技术实现了跟跑到并跑、领跑的跨越式发展，达到国际领先水平。“我们用了5年时间走完了别人20年走的路。”# ~* L! U5 x: ?9 M& v
- c4 X& O& P2 v5 F$ }3 b 强磁场装置的建成为科学研究打开了一扇窗。“强磁场是物质微观世界的放大镜，对提升我国前沿基础科学研究、推动关键技术变革意义重大。”李亮说，通俗来讲，它能为科学家提供“极端条件下的实验平台”，能够产生极强的磁场、极低的温度、极高的压力。而在这样一种极端条件下，材料可以反映出一些常态下观测不到的物理效应、现象，这有助于科研人员实现新的前沿研究突破，发现新的物理原理和材料。* P. l& Y7 s2 M; y1 w/ K% g1 R0 R
: o, `1 L! Q6 R4 T2 c6 Z7 N ■ 5年后，升级为全球第一
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截至2024年2月，强磁场中心装置已累计运行85722小时，为北京大学、清华大学、中国科学院物理研究所、哈佛大学、剑桥大学、德国德累斯顿强磁场实验室等130家国内外高校和科研单位提供科研服务1894项，在《自然》《科学》等期刊发表论文1616篇，取得了包括发现第三种规律新型量子振荡等在内的一大批原创成果，先后获2018年湖北省科技进步奖特等奖、2019年国家科技进步奖一等奖。
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6 t. R% Z' d* l4 B 2023年11月，脉冲强磁场实验装置优化提升项目获国家发展改革委批复，概算总投资20.9651亿元，建设期5年。
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“为了腾出建设用地，华科大搬迁了两个学院。”在李亮教授看来，国家脉冲强磁场科学中心在优化升级中除了追求磁感应强度外，还应该有两个追求——磁场的时间变化率和空间变化率，两者形成的时空梯度能产生更强的磁力量。“在优化升级中引进了时空梯度，可以有更好的应用前景，新质生产力也会源源不断产生。”
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李亮表示，脉冲强磁场实验装置优化提升后将全球领先，应用前景更加广阔。例如在磁共振成像上，可将目前的3特斯拉或1.5特斯拉提升至9.5特斯拉，将亚毫米级的显像提升至30微米，提升一个量级，对疾病的早期诊断更为有效，可以推出全新升级版的磁共振成像系统。: M6 d! } C/ ^
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目前，全球最高的脉冲强磁场是100.75特斯拉，国家脉冲强磁场科学中心优化升级后将达到110特斯拉。“别小看这9.25特斯拉的优势，这相当于人类跑出9秒8的百米成绩后再提升到9秒，难度可想而知，进步可想而知，超越可想而知。”李亮对5年后的强磁场中心充满期待。 |
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发表于 2024-4-19 12:28:18
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