隨著新能源車的快速發(fā)展，車輛減重、提高安全性及降低成本都是發(fā)展制勝的關(guān)鍵，制造廉價(jià)高強(qiáng)塑性鋼材成為重中之重。

基于對(duì)材料科學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀、制造廉價(jià)高強(qiáng)塑性鋼材的技術(shù)突破、未來(lái)材料科學(xué)的發(fā)展方向等議題，《新基建訪談》與香港城市大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心主任、香港工程科學(xué)院院士、法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院院士、光華工程科技獎(jiǎng)得主、結(jié)構(gòu)納米材料領(lǐng)域?qū)＜摇⑹澜缧履茉雌嚧髸?huì)科技委員會(huì)委員呂堅(jiān)進(jìn)行了一次深度交流。

材料是人類文明發(fā)展的基石，現(xiàn)在我們已經(jīng)進(jìn)入納米和信息材料時(shí)代。

呂堅(jiān)院士認(rèn)為，中國(guó)現(xiàn)在缺少的是最高端的材料的制造。他說(shuō)：“現(xiàn)在看來(lái)，有些關(guān)鍵材料很容易被卡脖子，中國(guó)作為一個(gè)材料使用大國(guó)，應(yīng)該在絕大多數(shù)的關(guān)鍵材料里能夠自己供給一部分來(lái)打破這些封鎖。”

在談到制造廉價(jià)高強(qiáng)塑性鋼材時(shí)，呂堅(jiān)院士表示：金屬材料相對(duì)來(lái)說(shuō)比較環(huán)保，而且價(jià)格較便宜。以現(xiàn)在的趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，最主要的新能源車材料是鋁和鋼。鋁和鋼的競(jìng)爭(zhēng)一直都是此消彼長(zhǎng)，現(xiàn)在科學(xué)家做出越來(lái)越多的超高強(qiáng)度的鋼，這些超高強(qiáng)度的鋼可以代替鋁。

TESLA最新的不銹鋼車身的Cybertruck就是新能源車未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

此外，3D打印為汽車輕量化或者結(jié)構(gòu)輕量化，帶來(lái)了全新的機(jī)遇，因?yàn)橥ㄟ^(guò)它可以進(jìn)一步的減重。

從能源角度來(lái)講，減重和減風(fēng)阻是汽車節(jié)能的兩大部分，呂堅(jiān)院士說(shuō)：“未來(lái)，我們希望把汽車做成像變形金剛一樣的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，很多關(guān)鍵部分都可以改變形狀，隨著汽車的速度改變車型，可以降低汽車的風(fēng)阻。”

同時(shí)，他表示未來(lái)如何有效地利用可循環(huán)能源—太陽(yáng)能、風(fēng)能，甚至海洋能源，也是值得研究的課題。

在采訪的最后，呂堅(jiān)院士也為年輕人提出了一些建議和寄語(yǔ)，“從技術(shù)角度來(lái)講，改革開放以后中國(guó)在全球是最開放的國(guó)家，機(jī)會(huì)越來(lái)越多，所以關(guān)鍵是要選擇做自己喜歡事情，現(xiàn)在是年輕人大展宏圖的時(shí)代，而不是躺平的時(shí)代。”

問(wèn)：您是先進(jìn)材料方面的專家，請(qǐng)您宏觀的講講目前材料科學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀，以及目前學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界主要的方向和瓶頸？

呂堅(jiān)：材料是人類文明發(fā)展的基石，每一個(gè)時(shí)代都有不同的材料。從石器時(shí)代到青銅器時(shí)代，再到鐵器時(shí)代，然后到半導(dǎo)體高分子材料時(shí)代，現(xiàn)在我們進(jìn)入了納米和信息材料時(shí)代。這些都是材料的發(fā)展對(duì)人類文明貢獻(xiàn)的里程碑。那么現(xiàn)在有成千上萬(wàn)種材料，從總體來(lái)講它是我們發(fā)展新的技術(shù)的最基礎(chǔ)的東西。從現(xiàn)狀來(lái)講，中國(guó)已經(jīng)是大部分材料消耗最多的國(guó)家。從生產(chǎn)角度來(lái)看，中國(guó)絕大部分材料也是生產(chǎn)量最大的。

那中國(guó)缺少什么呢？缺少的是最高端的材料，以前我們認(rèn)為自由貿(mào)易可以讓大家有很好的分工，這樣的話我們就沒(méi)有必要做所有的材料，但現(xiàn)在看來(lái)，有些關(guān)鍵材料很容易被卡脖子，所以，中國(guó)應(yīng)該投入更大的力量和資金，把這些卡脖子的材料，最起碼能制造。其實(shí)從歷史上來(lái)看，中國(guó)每次把卡脖子材料制造出來(lái)，那個(gè)材料的價(jià)錢就降下來(lái)了。因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)對(duì)手也想做生意，只是以前他獨(dú)家的時(shí)候就賣貴一點(diǎn)兒，這也是可以理解的，他們花了大量的時(shí)間和金錢研發(fā)，開始的時(shí)候要價(jià)高一點(diǎn)沒(méi)有問(wèn)題。但有些國(guó)家根據(jù)一些協(xié)議把你給卡了，那么這就是一個(gè)大問(wèn)題，沒(méi)有真正的自由貿(mào)易，所以中國(guó)作為一個(gè)材料使用大國(guó)，應(yīng)該在絕大多數(shù)的關(guān)鍵材料里能夠自己供給一部分來(lái)打破這些封鎖。

問(wèn)：隨著新能源車的快速發(fā)展，汽車減重、提高安全性及降低成本都是發(fā)展制勝的關(guān)鍵，制造廉價(jià)高強(qiáng)塑性鋼材成為重中之重，您的團(tuán)隊(duì)在這方面建樹頗豐， 請(qǐng)幫我們科普一下這方面的技術(shù)突破？

呂堅(jiān)：像環(huán)氧樹脂這種強(qiáng)度比較高的高分子材料，是不能再重新使用的，這是一個(gè)比較大的問(wèn)題。而鋁合金、鐵都是可以熔掉以后再重新煉，所以金屬材料，反而相對(duì)來(lái)說(shuō)比較環(huán)保，而且價(jià)格較便宜。因此，以現(xiàn)在的趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，最主要的新能源車材料是鋁和鋼。前一陣子是鋁合金，現(xiàn)在由于鋼鐵的價(jià)格比較便宜，而且科學(xué)家做出來(lái)越來(lái)越多的超高強(qiáng)度的鋼，那么這些超高強(qiáng)度的鋼可以代替鋁。鋁和鋼的競(jìng)爭(zhēng)一直都是此消彼長(zhǎng)。但是總的趨勢(shì)就是要發(fā)展高強(qiáng)高韌的鋼材料或者是鋁材料。

鎂基材料是另外一個(gè)可選材料，但鎂的強(qiáng)度比較低且抗腐蝕能力比較差，在解決這兩個(gè)問(wèn)題之前，鎂只能用在內(nèi)飾或者車輪等少數(shù)有限的結(jié)構(gòu)里，而車體最重的部分，防撞的結(jié)構(gòu)、車身等，現(xiàn)在總的趨勢(shì)還是鋁合金和鋼鐵。

另外，特斯拉的皮卡是用不銹鋼來(lái)做的，甚至火箭都是用不銹鋼做的。不銹鋼的好處就是顏色—金屬色，很多地方不用刷漆。一般來(lái)講減重的話都用更輕的材料，那么鋼的比重是7.8左右，但實(shí)際上不銹鋼做好的話從單位重量的強(qiáng)度來(lái)比較是完全可以達(dá)到很多的鋁材。

問(wèn)：成本又要低，鋼性又要強(qiáng)，您在實(shí)驗(yàn)室是怎樣做到的？

呂堅(jiān)：鋼是一個(gè)很神奇的材料，它可以做很多有意思的成分設(shè)計(jì)，不同的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生不同的效益，比如說(shuō)納米析出，或者其他更復(fù)雜的相變的結(jié)構(gòu)。鋁的變數(shù)相對(duì)少，所以它其實(shí)最近幾年發(fā)展的并沒(méi)有那么快。

現(xiàn)在又出了一些新的技術(shù)，包括3D打印，3D打印為汽車輕量化或者結(jié)構(gòu)輕量化，帶來(lái)了非常全新的技術(shù)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)3D打印，設(shè)計(jì)師可以完全得到非常好的發(fā)揮，可以進(jìn)一步的減重。我們最近做了一個(gè)結(jié)構(gòu)，它長(zhǎng)得就像梵蒂岡萬(wàn)神殿拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，它在承重的時(shí)候會(huì)旋轉(zhuǎn)，所以如果把這個(gè)放到汽車碰撞的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)里，那有可能可以進(jìn)一步的減重。

問(wèn)：電池的安全也是一個(gè)重大的課題。

呂堅(jiān)：電池由于碰撞的時(shí)候擠壓會(huì)導(dǎo)致一些安全性的問(wèn)題，我們最近也做了一個(gè)設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)可以用鋼代替鈦合金。比如像特斯拉現(xiàn)在車底下有一塊鈦板。是因?yàn)橛幸淮闻鲎彩鹿手校飞系氖^把底盤底下給打穿了，打穿了以后就引起事故，后來(lái)就加了一塊鈦板。鈦板的價(jià)格是很高的，我們發(fā)現(xiàn)鈦板是有機(jī)會(huì)用鋼板代替的。

問(wèn)：我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)汽車和新能源汽車都有碰撞實(shí)驗(yàn)，您覺(jué)得碰撞摧毀程度的不同主要是材料導(dǎo)致的嗎？還是整個(gè)設(shè)計(jì)的原因？

呂堅(jiān)：它是整個(gè)設(shè)計(jì)加材料，設(shè)計(jì)理論上是包括材料的，比如說(shuō)有的車是用高強(qiáng)度鋼做的，它的優(yōu)勢(shì)就是可以在單位重量里吸收很多的能量，它的劣勢(shì)就是如果強(qiáng)度特別高的話，那么撞車的時(shí)候就跟撞墻一樣，它的減速度特別高。實(shí)際上，保險(xiǎn)杠后面有一些吸能結(jié)構(gòu)，這個(gè)東西叫吸能盒crash box。crash box實(shí)際上是兩個(gè)參數(shù)，吸能和減速度。撞車的時(shí)候看起來(lái)撞的很爛，實(shí)際上這就是吸能的過(guò)程。一個(gè)車碰撞后不爛，像墻似的，其實(shí)減速度非常高，這樣的話會(huì)容易造成汽車內(nèi)人員的腦傷亡，甚至腦死亡。

問(wèn)：剛才提到，您有30年研究汽車領(lǐng)域方面的經(jīng)驗(yàn)，在能源方向您也有一定研究。可以從制氫和電池這些角度談一下目前主要在做哪些事情？

呂堅(jiān)：首先從能源角度來(lái)講，汽車可以分為兩個(gè)部分。一部分是節(jié)能，減重就是節(jié)能的一部分。第二部分就是減風(fēng)阻—因?yàn)槠囋谛旭偟臅r(shí)候有空氣阻力。到現(xiàn)在為止汽車的形狀是不變的，所以它的空氣阻力是在一定速度下是優(yōu)化的。一般來(lái)講，車比耗油量一般按每90公里/小時(shí)速度下的百公里油耗來(lái)進(jìn)行對(duì)比。但實(shí)際上，隨著車速不同，不同車（不同的幾何形狀）的風(fēng)阻是不一樣的。未來(lái)的車我覺(jué)得是幾何可變的車—不同的速度，它的整體是可變的。我們現(xiàn)在希望可以做成像變形金剛一樣的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。比如說(shuō)未來(lái)汽車的很多關(guān)鍵部分都可以改變它的形狀，那么隨著它速度的改變，可以改變它的風(fēng)阻。這個(gè)想法變得越來(lái)越有可能，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)汽車?yán)铮茉幢容^集中—在馬達(dá)那里，但是在新能源車?yán)锏教幎伎梢苑烹姵亍＿@個(gè)就是新能源車的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)是我們現(xiàn)在研究的一個(gè)技術(shù)，叫變形金剛，變形金剛可以來(lái)調(diào)節(jié)車的風(fēng)阻，來(lái)進(jìn)一步的降低能耗。總結(jié)來(lái)說(shuō)，從耗能的角度，除了減重還可以改變它的空氣動(dòng)力學(xué)性能—通過(guò)變形金剛結(jié)構(gòu)來(lái)做這件事情。

從電池的角度，現(xiàn)在全世界，特別是中國(guó)做了很多。我們香港城市大學(xué)有很多同事做不同材料，比如說(shuō)鋅金屬加上空氣，或者鋰電池，鋅電池，各種各類的電池。總體來(lái)講，它的進(jìn)展是緩慢的，趕不上新能源車的增長(zhǎng)速度。因?yàn)樗兄萍s條件，那就是價(jià)錢，高性能但價(jià)錢貴了很多，所以還是相對(duì)來(lái)說(shuō)比較困難的。但是在中國(guó)大規(guī)模的制造下，電池本身的價(jià)格降了很多，降的速度也很快，但整體效率提高的并不是特別多。另外，就是燃料電池或者是氫能源，那么氫能源也是兩部分，一部分是制氫的效率提高，第二部分就是釋放的時(shí)候效率提高。我們國(guó)家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心做了很多新型的催化劑，使得我們的產(chǎn)氫的效率更高。我認(rèn)為未來(lái)最主要的是儲(chǔ)氫和氫的釋放。

問(wèn)：我們之前看過(guò)很多您在制氫方面的一些成果和報(bào)道，在氫能源的利用這一塊，目前來(lái)看，大家都認(rèn)為成本居高不下，如果到達(dá)民用普及的話會(huì)怎么辦？您覺(jué)得，它是需要更多的基礎(chǔ)研究還是需要更多的應(yīng)用方面去做突破？

呂堅(jiān)：更多的是應(yīng)用，但是都要做。比如提高電解制氫的效率，把它的價(jià)格降下來(lái)，就可以有更便宜的燃料。當(dāng)然最理想的是離散性的產(chǎn)生氫，未來(lái)如果可以直接用太陽(yáng)能制氫，那就有可能普及。還有，內(nèi)蒙古、新疆有很多風(fēng)能，這些風(fēng)能現(xiàn)在并網(wǎng)是比較困難的問(wèn)題，中間浪費(fèi)了很多采集的能量，甚至是電，那么能不能把這個(gè)有效的利用起來(lái)，然后產(chǎn)生各種氫能源，直接變成分散式，然后再用分散式的形式消耗了，這可能也是一個(gè)未來(lái)可以研究的方向。

現(xiàn)在的電都是直接從電廠里出來(lái)的，中國(guó)現(xiàn)在發(fā)電主要還是火力發(fā)電，火力發(fā)電主要靠煤，燒煤放出來(lái)很多二氧化碳，影響氣候變暖。所以如何能夠有效的利用可循環(huán)能源，就是太陽(yáng)能、風(fēng)能，甚至海洋里的很多能源，海洋是最大的太陽(yáng)能儲(chǔ)存池，那么如果以后能夠有效的利用海洋里的溫差，那就是無(wú)窮無(wú)盡的能源。

問(wèn)：關(guān)于氫，我們現(xiàn)在聽(tīng)到一種聲音就是它雖然是需要做更多的應(yīng)用的開拓，但更重要的是需要有一個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)別的基礎(chǔ)研究來(lái)進(jìn)行突破，您是怎么理解？

呂堅(jiān)：這個(gè)當(dāng)然理論上是有可能的，因?yàn)槿绻l(fā)明出轉(zhuǎn)換的價(jià)格低的催化劑，效率又特別高，這個(gè)是完全有可能的。這兩個(gè)都是有可能突破的。還有就是儲(chǔ)氫，現(xiàn)在都是用罐儲(chǔ)存的，如果未來(lái)發(fā)明固體儲(chǔ)氫，那體積就可以降下來(lái)。還有就是氫氣的提純的問(wèn)題，化工產(chǎn)出的氫有一些其他的元素。

問(wèn)：那您覺(jué)得未來(lái)5~10年這幾種不同材料的發(fā)展，誰(shuí)會(huì)逐漸的成為毫無(wú)疑問(wèn)的主流，您覺(jué)得哪種更有機(jī)會(huì)？

呂堅(jiān)：如果沒(méi)有特殊的突破，按照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)，肯定是普通的電池占主流。在普通的電池里，至于是鋰電池占主流還是其他的，比如說(shuō)我剛才說(shuō)的，鋅加空氣或者鋰加空氣，這都有可能。因?yàn)楝F(xiàn)在的生產(chǎn)設(shè)備的容量已經(jīng)大幅度增加上去，我想未來(lái)五年還是鋰電池為主。10年的預(yù)測(cè)有點(diǎn)太長(zhǎng)，因?yàn)楝F(xiàn)在變化是非常大的，可以說(shuō)是革命性的變化，一般都是不可以預(yù)測(cè)的，只能說(shuō)按照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)。

問(wèn)：我們看到國(guó)內(nèi)的很多廠商在磷酸鐵鋰電池方面做一些突破。

呂堅(jiān)：磷酸鐵鋰的話，第一，像鋰電池資源受限，因?yàn)橹袊?guó)的鋰不是很多。所以很多的進(jìn)口，進(jìn)口的話等于是受制于人。如果能夠減重的話，就可以放更多的電池，現(xiàn)在是1:1，那完全在未來(lái)可能是1:2。這樣就可以讓電池的效率并不要求那么高，可以降低價(jià)格。

問(wèn)：我們看到您在做很多關(guān)于從環(huán)境的角度、碳中和角度的工作，您從中有哪些心得？

呂堅(jiān)：首先我自己做的研究，最主要的就是拓?fù)鋬?yōu)化還有結(jié)構(gòu)減重，我主要是做金屬材料的，我們?cè)?017年的時(shí)候就發(fā)展出來(lái)一種新類型的材料，我們叫超納雙相。這個(gè)工作就在發(fā)表在《自然》雜志的封面文章，也是中國(guó)科學(xué)家首次在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域發(fā)表在《自然》雜志的封面文章。最主要的是我們發(fā)現(xiàn)了一種新的結(jié)構(gòu)，以前的材料一般來(lái)講就是晶體材料或非晶材料，那么我們這種設(shè)計(jì)可以做出來(lái)超小的納米晶和非晶材料混合，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)材料它的功能性有可能更好，功能性能力里就包括催化劑。由于我們做的這類材料本身有這方面的潛力，所以我才開始做更多的跟碳中和相關(guān)的研究，并不是追時(shí)髦。

第二就是我們2015年底也組建了國(guó)家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心，在未來(lái)的兩三年里還會(huì)有更多更好的結(jié)果出來(lái)，現(xiàn)在我們看到初步的眉頭，我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域發(fā)表論文的速度在加快。

我們作為大學(xué)主要還是做基礎(chǔ)研究，但是大學(xué)也有社會(huì)責(zé)任，我們希望能夠?qū)ι鐣?huì)有所貢獻(xiàn)，像我們香港城市大學(xué)也是香港獲批美國(guó)專利最多的學(xué)校，已經(jīng)連續(xù)五年獲得美國(guó)專利最多。這些專利，需要通過(guò)轉(zhuǎn)化，變成社會(huì)的價(jià)值，對(duì)社會(huì)有貢獻(xiàn)。未來(lái)的幾年我會(huì)越來(lái)越重視這方面的工作，讓我們的這些文章也好，知識(shí)產(chǎn)權(quán)也好，通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)移讓一些公司來(lái)產(chǎn)業(yè)化，通過(guò)產(chǎn)業(yè)化來(lái)對(duì)社會(huì)做更大的貢獻(xiàn)。

問(wèn)：不僅在研究和應(yīng)用方面，您更是教育界的專家。從科技發(fā)展，科學(xué)進(jìn)步的角度，您對(duì)現(xiàn)在的年輕人或者年輕的研究者有哪些建議和寄語(yǔ)？

呂堅(jiān)：現(xiàn)在中國(guó)或者世界處于一個(gè)很好的時(shí)代，對(duì)比我們年輕的時(shí)候機(jī)會(huì)要多很多，雖然競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越大，但實(shí)際上機(jī)會(huì)越來(lái)越多。現(xiàn)在經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)年輕人要躺平，其實(shí)不需要。現(xiàn)在因?yàn)檫x擇多了，所以才會(huì)迷惑，以前沒(méi)有選擇，只能做一件事。關(guān)鍵就是要選擇自己喜歡做的事情，做基礎(chǔ)研究也好，應(yīng)用研究也好，社會(huì)工作也好，我想最主要的就是做自己真心喜歡的工作，不一定是掙錢最多的。因?yàn)?0年前每個(gè)人的選擇是跟溫飽有關(guān)系，現(xiàn)在溫飽問(wèn)題已經(jīng)解決了，那么我希望年輕人按照自己的理想來(lái)做事情。

我想說(shuō)的是，現(xiàn)在是非常好的時(shí)機(jī)，中國(guó)培養(yǎng)了越來(lái)越多的大學(xué)生，資金越來(lái)越充足，技術(shù)成分也有提高，現(xiàn)在是年輕人大展宏圖的時(shí)代，而不該是躺平的時(shí)代。

中國(guó)自從40多年前改革開放以后，從技術(shù)角度來(lái)講在全球是最開放的國(guó)家。再加上我們是培養(yǎng)理工科學(xué)生最多的國(guó)家，所以我們有能力吸收全世界最好的技術(shù)和方法，把它轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換成財(cái)富。

總結(jié)

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