高性能稀土镁合金精密铸造构件

赵超

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针对高性能稀土镁合金制备大尺寸构件的工程工艺难点，开发了基于Mg-Y-Nd-Zr、Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的高强材料及复杂薄壁构件的精密铸造成型技术。针对高稀土含量镁合金塑性差、成本高、工程化应用困难的弱点，根据多元微合金化高密度形核理论，开发了稀土含量相对较低、力学及工艺性能优越的高强耐热稀土镁合金，在不提高稀土组分总量的条件下，显著提高室温及高温力学性能，并具有同类材料中较好的塑性及工艺性能。 技术指标 1.力学性能：室温抗拉强度σb≥300MPa、屈服强度σ0.2≥220MPa；断后伸长率δ≥3%； 2.铸态合金材料密度ρ≤1.85g/cm3； 3.使用温度≥200℃； 4.构件壁厚最低为2.5mm。 产业化前景预测 镁合金作为最轻的工程结构材料，在交通、航空、军工领域日益受到重视。随着工业系统和材料技术的快速发展，对工程结构材料的力学性能提出了越来越苛刻的要求。本项成果通过调控合金的复杂微观结构，可以明显提高合金的强韧性，有效提高材料的工艺性能，为高性能大尺寸构件的制备和大批量工程化产业应用创造了条件。 经济效益：具有1000吨/年的生产能力，可基本满足国内航空航天、轨道交通、导弹军工等领域的需要。 社会效益：成功应用到多个导弹军工、航空航天、大飞机项目、轨道交通、电子设备部件上。通过应用前述材料成果，满足了在研国家重点型号武器项目的迫切需求、实现了定型与生产，同时扩大了镁合金材料在各工业领域的应用范围，为各单位创造的显著的经济效益，促进了我国镁合金科研生产领域的升级进步

高性能稀土镁合金大尺寸构件

赵超

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针对高性能稀土镁合金制备大尺寸构件的工程工艺难点，开发了基于Mg-Gd-Y-Zn-Zr、Mg-Y-Nd-Zr合金的高强材料及其大尺寸构件的制备方法。该材料及匹配的成型工艺克服了铸造工艺性能较差、容易产生疏松和热裂等问题，成功开发出大尺寸铸造坯料（直径≥500mm）及塑性成型坯料制备技术，并成功应用到多个导弹军工及大飞机项目部件上。 该产品用于生产航空航天、导弹等领域用于制备高强轻质结构件、连接件的塑性变形坯料，具有综合性能高、能够生产大尺寸复杂构件、坯料组分均匀缺陷少的特点。 技术指标 1.力学性能：室温抗拉强度σb≥450MPa、屈服强度σ0.2≥400MPa；断后伸长率δ≥5%； 2.铸态合金材料密度ρ≤1.9g/cm3； 3.使用温度≥200℃。 4.单件直径100-800mm、长度1000-4000mm； 5.符合HB7780、GB/T4297-2004规定范围； 6.稀土组分最高可达15wt.%。 产业化前景预测：镁合金作为最轻的工程结构材料，在交通、航空、军工领域日益受到重视。随着工业系统和材料技术的快速发展，对工程结构材料的力学性能提出了越来越苛刻的要求。本项成果通过调控合金的复杂微观结构，可以明显提高合金的强韧性，有效提高材料的工艺性能，为高性能大尺寸构件的制备和大批量工程化产业应用创造了条件。 经济效益：具有1000吨/年的生产能力，可基本满足国内航空航天、轨道交通、导弹军工等领域的需要。 社会效益：成功应用到多个导弹军工、航空航天、大飞机项目、轨道交通、电子设备部件上。通过应用前述材料成果，满足了在研国家重点型号武器项目的迫切需求、实现了定型与生产，同时扩大了镁合金材料在各工业领域的应用范围，为各单位创造的显著的经济效益，促进了我国镁合金科研生产领域的升级进步。

高性能Mg-Al-RE合金压力铸造构件

赵超

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针对现有的AZ、AM商用镁合金强度低、高温抗蠕变能力低、耐热性差等问题，研制混合稀土组分的Mg-Al-RE高强耐热压铸镁合金。具有表面活化性能的混合稀土可以形成热稳定性好的针状Al11RE3相，起到了高温下钉扎晶界的作用，显著提高了合金的室温高温力学性能。该合金工艺性能优异、成本低廉，已经在导弹军工、轨道交通、电子产品上实现了批量化生产。 技术指标 1.力学性能：室温抗拉强度：σb≥280MPa，σ0.2≥200MPa，δ≥11%； 2.铸态合金材料密度ρ≤1.80g/cm3； 产业化前景预测：针对现有的AZ91镁合金强度低、高温抗蠕变能力低、耐热性差等问题，研制出混合稀土改性优化的高强耐热抗蠕变镁合金，充分利用了现有闲置的稀土资源，室温/高温性能优于国外的AZ91。 经济效益：具有1000吨/年的生产能力，可基本满足国内航空航天、轨道交通、导弹军工等领域的需要。 社会效益：成功应用到多个导弹军工、航空航天、大飞机项目、轨道交通、电子设备部件上。通过应用前述材料成果，满足了在研国家重点型号武器项目的迫切需求、实现了定型与生产，同时扩大了镁合金材料在各工业领域的应用范围，为各单位创造的显著的经济效益，促进了我国镁合金科研生产领域的升级进步。

高性能Mg-Al-RE合金塑性成型构件

赵超

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针对工程领域镁合金构件的力学性能及减重需求，以及传统镁合金强度较低、耐腐蚀性较差的问题，本项目通过对材料与结构设计的优化，突破稀土镁合金的协同强韧化、精密成型、加工制备及表面处理等关键技术，显著提高了合金的室温高温力学性能。该合金工艺性能优异、成本低廉，已经在导弹军工、轨道交通、电子产品上实现了批量化生产。 技术指标 1.力学性能：室温抗拉强度σb≥290MPa、屈服强度σ0.2≥220MPa；断后伸长率δ≥8%； 2.铸态合金材料密度ρ≤1.80g/cm3； 3.使用温度≥200℃。 通过强化机理研究、工程工艺装备开发、大尺寸构件制备检验等工作的系统整合，实现稀土镁合金材料性能与工程制备技术上的突破。推动高强度稀土镁合金材料在精密构件和大中型结构件的轻量化开辟一条可行、可靠的改进方向，为高性能稀土镁合金的推广应用、为武器、空天、轨道交通等系统的结构材料技术改进奠定坚实的基础。 经济效益：具有1000吨/年的生产能力，可基本满足国内航空航天、轨道交通、导弹军工等领域的需要。 社会效益：成功应用到多个导弹军工、航空航天、大飞机项目、轨道交通、电子设备部件上。通过应用前述材料成果，满足了在研国家重点型号武器项目的迫切需求、实现了定型与生产，同时扩大了镁合金材料在各工业领域的应用范围，为各单位创造的显著的经济效益，促进了我国镁合金科研生产领域的升级进步

稀土合金固态储供氢系统及燃料电池应用

赵超

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我国氢能产业链基础较薄弱，尤其是在氢源的储存、运输、供应等问题，已经成为制约氢能产业发展的关键因素之一。目前，在加氢站建设过程中，其“氢库”问题也限制了其规模化发展应用。高安全固态低压储供氢材料及其储供氢装置技术被认为是加氢站理想的“氢库”解决方案之一。 尽管已报道的固态储氢材料种类繁多，但目前固态储氢材料的开发及应用仍以储氢合金为主，包括AB5、A2B7和固溶体合金等，但上述合金的储氢容量偏低或放氢条件苛刻。本成果利用丰富而廉价的钒钛资源和轻稀土资源，开发低成本的固态储氢材料体系，并通过与轻金属氢化物和复合氢化物的复合，研发温和条件下高可逆容量且易活化钛钒稀土储氢材料。针对我国地域辽阔、南北温差大的特点，重点拓展了固态储氢合金在宽温条件下（-30℃~100℃）的吸放氢性能；并采用列管式技术，开发了氢容积为2Nm3、5Nm3、10Nm3、30Nm3的适合宽温域加氢站用固态储氢装置样机。初步集成了固态储供氢&50W燃料电池发电系统，开展了相应的验证试验。 项目成果可满足我国氢能发展和氢能基础设施建设的重大需求，同时有助于我国优势的高丰度稀土资源的综合利用，促进稀土产业的平衡发展。

铈高质化基础材料制备及在超精密抛光中的应用

赵超

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项目背景：精密抛光被列为我国35项“卡脖子”技术之一，氧化铈以其粒度细、化学活性好、研磨能力强和使用寿命长的优点，广泛应用于光学玻璃、芯片、蓝宝石、LED行业等制品的抛光中。我国虽然占据世界上90％的稀土抛光粉产品份额，但主要集中在中低端，部分高精尖技术的瓶颈仍有待于突破，在超精密领域中抛光材料主要依赖进口，国产化率低。 创新性：我们在铈的溶液化学及高品质铈基原材料的分离制备方面具有深厚的理论基础和丰富的实践经验，首次在工业萃取体系实现了氟碳铈矿分离制备铈基纳米材料。发明了利用液/液萃取体系界面制备多种结构和形貌稀土化合物的新方法，提出了条件温和、易于规模化制备、尺寸可调控的铈基新材料的制备路线。

稀土硫化物着色剂材料的绿色连续化制备技术

赵超

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稀土硫化物着色剂因其着色性能优异，无毒无害等特性，广泛用于塑料、塑胶、油漆、油墨、皮革等诸多领域，预计市场需求可达百亿元人民币。由于可以替代目前大量使用的有机颜料和含镉、铅的重金属颜料等不能达到环保要求的着色剂，稀土着色剂被列入由科技部工信部和环保部在2016年联合颁布的《国家鼓励发展的有毒有害原料产品替代品名录》。传统稀土硫化物着色剂的合成是在管式炉内以硫化氢为硫化剂在高温下反应，工艺复杂、危害度大、成本高，不能大规模生产，极大限制了稀土硫化物着色剂的推广使用。 中国科学院长春应用化学研究所研发出基于纯固相反应的稀土硫化物着色剂绿色连续化制备技术，并与包头稀土中心合作，在包头开展10吨级中试放大实验。经过近一年的设备设计选型与工艺摸索，在2016年11月3日实现了首批产品下线。该技术开发了温和条件下稀土硫化物着色剂制备新方法，不使用硫化氢等危险气体，产量高，操作简单，安全可靠。产品使用北方地区稀土库存积压严重的高丰度的镧、铈元素为原料，满足国家稀土资源平衡利用和替代有毒有害产品重大需求，对高附加值稀土新材料应用具有重大意义，推向市场后将产生较大的经济和社会效益。

稀土氧化物基水冷壁防结焦纳米陶瓷涂层

高祥虎

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国内每年工业锅炉因水冷壁灰污、结焦及高温腐蚀带来的经济损失总和达上千亿元。水冷壁防结焦涂层高端技术被国外垄断，售价最高可达5000-10000元/平方米。本涂层技术主要应用于大型电站燃煤锅炉、燃气锅炉、工业锅炉、石化裂解炉、加热炉、生物质与垃圾发电锅炉、多晶硅反应炉等。 技术优势 含多种稀土氧化物成分，水性环保，适用于不同基材、不同应用环境，确保涂层不开裂、不粉化、不脱落，优异的附着力和抗热震性能。抗粘污结渣、耐高温腐蚀，提高煤种适应性(高硫、高钠钾、高氯煤等)，避免腐蚀性爆管，垮焦灭火；极强的化学惰性不与腐蚀性成份及还原性气体发生化学反应。致密表层有效防止腐蚀性物质渗入，避免基材腐蚀，防止腐蚀爆管。氯化物复合熔盐高温(500oC)腐蚀实验5000小时，涂层完好，无腐蚀现象发生。 提高换热效率，降低供电煤耗，提高能源利用效率；涂层具有良好的红外辐射特性，2-15微米波段的辐射率大于0.90，相当于“近黑体”，在相同条件下吸收更多热量，并具有更强的再辐射能力。涂层具有可调的导热系数，加强热量传导，使受热面换热更加均匀，避免局部热量过于集中的情况发生，基材无热应力点，从而防止受热面管壁超温爆管，避免金属长期蠕变爆管。 可根据不同锅炉辐射面工况及煤种进行涂层的优化设计，并提供个性化定制方案。对于锅炉中不同区域如水冷壁、屏式过热器及空气预热器可进行涂层方案调整。

高丰度稀土基材料催化异丁烯制备甲基丙烯醛酸

赵华华

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甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯（MMA）是一种重要的有机化工原料，主要应用于涂料、有机玻璃PMMA等领域。目前我国制备MMA采用C3和C4路线，均属引进技术。而我国拥有丰富的C4资源，因此C4氧化法制备MMA在我国具有很大优势。异丁烯选择氧化制备甲基丙烯醛（MAL）是C4（异丁烯）氧化法制备甲基丙烯酸甲酯必经的关键步骤之一。工业上通常采取MoBiFeCo基多组分复合氧化物体系，但是仍面临MAL选择性低、反应热难快速移出等问题。稀土元素受镧系收缩的影响和4f电子作用，在化学反应过程中表现出独特的催化性能。本项目以稀土如La、Ce、Gd等协同调控催化剂中的晶格氧从而提高MoBi基催化剂的异丁烯选择氧化制备MAL反应性能，探索催化剂可控制备方法与条件、稀土助剂对催化剂结构和性能的影响以及稀土助剂提高反应性能的本质原因及反应机制，拟获得一类高效异丁烯选择氧化催化剂，异丁烯转化率>95%，甲基丙烯醛（酸）选择性>85%，稳定运行1000h以上，完成千吨级工业示范并获得万吨级全流程工艺包。 中国科学院兰州化学物理研究所多相催化与选择氧化研究团队长期从事多相催化尤其是选择氧化领域的应用基础研究，对稀土助剂在甲烷氧化偶联制乙烯（Ce）、甲烷干重整（Ce、Gd）、CO2甲烷化（Ni-La）及乙烷氧化（Ce）等反应中对氧物种及反应性能的本质影响均有深入的研究和认识，为本项目顺利实施奠定了深厚的研究积累。

稀土元素在单分子白光荧光开关上的应用

陈碧琦

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Eu分子对稀土离子La3+,Ce3+,Dy3+,Er3+,Gd3+,Ho3+以及Pr3+表现出良好的荧光传感作用，通过控制电化学电压可使得所发出的白色荧光发生可逆性的变化，呈现开关性能。

稀土元素改性纳米氧化锌材料在抗菌涂料中的应用

陈碧琦

-/新材料

稀土掺杂纳米氧化锌(ZnO)在紫外光照射下激活其光催化特性,能够分解有机物质,起到抗菌和除臭的作用。 材料性能达到以下标准：抗菌性能与常用的抗生素如庆大霉素、两性霉素的抗菌性相当（纸片扩散法测量其对于常见真菌、细菌的抑菌圈直径，目标化合物抑菌圈直径大于庆大霉素。最小抑菌浓度MIC小于1mg/mL）；具有良好的生物相容性（对人体胚胎期肾脏293细胞无毒性作用）。

铈掺杂二氧化钛纳米催化剂在光/电催化二氧化碳还原中的应用

陈碧琦

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日益增多的人类生产活动加快了化石燃料的消耗，导致大气中以二氧化碳（CO2）为主的温室气体排放剧增。通过光电催化等技术手段，利用太阳能等可再生能源，实现CO2还原减排，并高效地将其转化为以甲烷为代表的碳氢燃料和以醇/酸类为代表的高价值化学品，成为受到各国政府和科学家们广泛关注的重大课题。 CeO2掺杂改性Pd/TiO2光/电催化剂具有制备工艺成熟，成本较低等特点。可实现在TiO2粉体以及有序阵列上的应用与改性。通过外加电压调控，实现了对改性半导体TiO2材料带隙控制。有效改善了TiO2本征半导体面临的光谱吸收范围小，光利用效率低的问题。该技术对CO2高效还原转化反应及新型半导体催化剂/新型气体传感器的开发有着重要意义。

铈改性钯/二氧化钛催化剂在电解醇制氢中的应用

陈碧琦

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据统计，2017年，我国可再生能源新增装机规模，约占全球增量40%，成为全球非化石能源发展的引领者。然而，可再生能源所固有的时空分布不均匀缺陷，造成了严重的弃峰限电问题。通过以氢气（H2）为代表的高能量密度存储介质，对可再生能源所产电能加以预先富集和存储，成为解决上述问题的可行方案之一。 CeO2掺杂改性Pd/TiO2电催化剂制备工艺成熟，且相对廉价。突破高效电催化剂制备的关键技术，解决由于Pd催化剂中毒所导致的电解醇类制氢能耗高效率低下的问题。改性后电解醇类制氢的成本为9.3元/kg纯氢，对比现有商业化电解水产氢成本32.1元/kg纯氢，应用前景广阔。

铈掺杂钯/碳催化剂在醇类燃料电池上的应用

陈碧琦

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前，来自生物原料的第一代和第二代生物乙醇产量超过757亿升/年，并以每年5%的速度增长。直接醇类燃料电池（DEFC），可将生物乙醇高效地转换为电能，引起了人们的极大兴趣。DEFC上常用的铂/钯基电催化剂的催化剂中毒问题亟需解决，而以CeO2为代表的稀土元素改性有很好效果。 CeO2掺杂改性Pd/C电催化剂制备工艺成熟，成本较低。突破了高效电催化剂制备的关键技术，解决由于贵金属Pd基催化剂中毒而导致的燃料电池寿命短，效率低的问题。通过35%质量比CeO2的添加，带来燃料电池功率峰值300%的提高，该技术有着广阔的应用前景。

时间分辨光谱式上/下转换免疫分析仪

陈碧琦

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基于时间分辨光谱模式，开发了专用于稀土纳米材料标记POCT检测原型装置。主要应用于稀土荧光标记高灵敏体外诊断研究，新型多模式、高灵敏、普适IVD检测平台。 目前研究进展：多模式、高灵敏、高通量多标记共检，精密度≤1%，不稳定性≤1%；正在与海西院、南方科大等机构合作，并致力于与IVD企业就具体应用和更高级的功能拓展洽谈合作。

通用型X射线诱导变温发光装置

陈碧琦

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针对复合功能稀土光电晶体材料的闪烁应用需求，开发了专用于X射线诱导发光变温光谱和成像性能测量的装置。目前成立厦门汇美集智科技有限公司（厦门“双百”），供货天美集团公司、爱丁堡仪器公司、Horiba等公司，已在福州大学、上海交大等机构应用。

新型稀土基核工及民用绿色建筑材料

陈碧琦

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我国是稀土资源大国，但稀土下游高端高附加值应用存在诸多瓶颈，随着我国新型堆的发展，对于其相关核安用保温热障材料的升级有着重大需求。稀土基特种保温热障材料的开发及产业化实施，将有效带动我国核安以及稀土产业的高速高质发展。与超细玻璃棉保温材料相比，稀土基气凝胶保温材料具有保温性能好，成本较低，以及优异的阻燃性能、紫外吸收以及红外阻隔、耐温性能、耐辐照以及屏蔽性能。常用核工核安、军民融合、工业以及民用产业方向。

稀土协同阻燃ABS复合材料

陈碧琦

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ABS树脂的氧指数仅18，属于易燃材料，这已成为ABS树脂进一步推广应用和发展的一大障碍。传统的磷系阻燃剂与ABS数值相容性差，而且由于ABS树脂中不含羟基，当用含磷阻燃剂处理时，燃烧时几乎不形成碳化层，阻燃作用不明显。稀土元素独有4f外电子层结构，显示出既丰富又独特的物理-化学特性，也决定了其化合物具有很多奇特的功能。在阻燃领域，含有稀土元素的阻燃体系可在兼顾阻燃效果的同时达到低毒、低烟雾、无害化要求，是一种新型的阻燃体系。在合成稀土协同阻燃ABS复合材料过程中我们采用加压水热法合成新型层状稀土磷酸盐作为成炭促进剂，纳米稀土氧化物表面修饰，合成了层状稀土磷酸盐、稀土氧化物、无卤阻燃剂三位一体阻燃体系。该产品的阻燃等级为UL94V-0级，机械性能优良，拉伸强度≥31MPa。