2018年度中国稀土十大科技新闻

2018年度中国稀土十大科技新闻

来源：中国稀土网站 www.cre.net

编者按：由中国稀土学会和包头稀土研究院主办，“中国稀土”网站承办，《稀土信息》、《稀土》等媒体协办的“2018年中国稀土十大科技新闻”日前揭晓，评选结果将在中国稀土学会网站、中国稀土网站、《稀土信息》杂志发布。此次入选的十大科技新闻是从100余篇2018年度稀土科技新闻中，经过初审、专家评审两个阶段评出。

*入选新闻排名不分先后

    1.稀土单晶光纤实现mW级中红外激光输出

    单晶光纤是一种新型高效的激光增益介质，能够有效克服体块晶体和玻璃光纤带来的热效应等瓶颈问题，未来将在高功率全固态光纤激光领域具有重大的应用价值。中科院长春应用化学研究所在多年稀土晶体设计及生长技术开发的基础上，实现了mW级中红外激光输出。该成果构建了从稀土晶体基础理论研究及新晶体结构设计，到微下拉生长技术优化、单晶光纤激光输出的全创新链条。标志着我国稀土资源高附加值下游应用领域又一次原创性突破。

    稀土资源利用国家重点实验室主任薛冬峰研究员首次明确了“稀土晶体”的定义，从结晶热力学和动力学两方面入手构建微下拉稀土单晶光纤生长模型，利用该理论模型得出稀土单晶光纤生长中的关键参数。为了进一步清晰化生长界面处的化学键合模式，建立轨道杂化模型研究稀土离子的成键行为，定量关联稀土离子配位数、配位结构和外层轨道杂化方式，用于定量计算稀土单晶光纤的生长速度。该工作创新性地利用生长界面处的化学键合模式解决了微观晶体组成和稀土单晶光纤块体材料之间的跨尺度问题，用于多尺度稀土单晶光纤生长方案的定向设计，成功生长了直径0.5-3 mm的稀土铝酸盐、镓酸盐、硅酸盐等系列单晶光纤，获得了mW级中红外激光输出。

    2.电子束刻蚀实现中空核壳结构稀土上转换纳米晶原位构筑

    由于稀土上转换纳米晶具有将近红外光转换成短波长可见-紫外光的上转换发光特性，同时中空核壳结构纳米晶具有高比表面积及丰富可调的孔道结构等优点，在生物传感及成像、药物缓释和医学诊疗等方面具有广泛的应用前景。合成中空核壳结构上转换纳米晶主要是利用硬模板法。然而，硬模板法需要先对上转换纳米晶进行二氧化硅或聚合物包覆，随后通过选择性腐蚀或者高温煅烧去除模板，其合成工艺较复杂且无法实现在衬底上原位构筑中空核壳结构纳米晶，从而大大限制了其应用范围。

    通过在稀土上转换纳米晶表面外延生长均匀包覆同质壳层通常被认为是减少原有纳米晶表面缺陷密度，提高上转换发光效率的一种有效策略。然而，对于同质包覆核壳结构上转换纳米晶核壳界面结构尤其是界面缺陷是否被显著抑制等基础问题尚缺乏深入的实验研究。在国家自然科学基金杰出青年科学基金、科技部“973”计划、中国科学院战略性先导科技专项和创新国际团队等的支持下，中科院福建物质结构研究所功能纳米结构设计与组装重点实验室陈学元研究小组和王元生研究小组合作，通过电子束辐照核壳结构稀土上转换纳米晶发现同质包覆核壳结构纳米晶其内核与壳层界面处依然存在大量晶体缺陷，并且该界面缺陷浓度甚至高于内核中体相缺陷的浓度。在此基础上，利用这种界面缺陷调控，借助电子束刻蚀首次实现了在碳膜衬底上原位构筑中空核壳结构稀土上转换纳米晶。在一定功率密度的电子束辐照下，预先沉积于碳膜衬底上的核壳结构稀土上转换纳米晶由实心球体快速转变为中空核壳结构，整个过程在30秒内即可完成，并且中空核壳结构纳米晶依然保持原有的晶体结构。通过对纳米晶由实心向中空核壳结构转变过程的原位透射电镜观察，并结合理论模型分析，研究人员进一步揭示了该中空核壳结构形成的微观机制：当纳米晶受到高能电子束辐照时，纳米晶中的Ln (稀土原子)、F、Na原子在与电子碰撞过程中获得动能后挣脱晶格束缚而发生原子迁移或溅射，进而在纳米晶中形成孔洞。由于核壳结构纳米晶中核壳界面处存在大量缺陷，当受到电子束辐照时，核壳界面处晶格原子挣脱晶格束缚而发生原子迁移或溅射的几率显著增加，因此在该界面及其附近处优先快速形成球对称的空心结构，最终实现纳米晶由实心向中空核壳结构的转变。该项研究结果表明，基于核壳结构纳米晶的界面缺陷调控利用电子束对纳米晶进行原子尺度刻蚀是一种原位构筑中空核壳结构稀土上转换纳米晶的行之有效的方法，该方法将为纳米器件应用领域中原位构筑特殊结构功能化纳米晶提供新思路。

    3.资源节约型高性能稀土永磁材料取得进展

    2018年10月12日，由沈保根院士为首席的国家重点基础研究发展计划(973计划)-“资源节约型高性能稀土永磁材料设计和可控制备”项目，顺利通过科技部专家组验收。该项目由“高性能稀土永磁材料制备技术的科学基础研究”、“高轻稀土含量、高性能稀土永磁材料机理研究”和“新型高性能稀土永磁材料设计和探索”三个子课题组成，分别由朱明刚教授、沈保根院士和饶光辉研究员负责。

    该项目在高丰度稀土永磁材料的高性能和耐蚀性研究方面取得突破。Ce替代量为总稀土含量的35%时，其磁能积达超过40MGOe（实验室水平）；当磁体中Ce占总稀土含量的50%时，其内秉矫顽力达到10.8KOe；获得“高耐蚀性多硬磁主相Ce永磁体”及产业关键技术等多项创新发明，制备出高性能铈磁体综合性能(BH)max+Hjc> 63的双主相烧结磁体；发现Ce含量高的磁体出现了主相被腐蚀而磁性相没有被腐蚀的电偶腐蚀现象。通过项目的实施和技术推广，推动全国铈(或含铈)磁体产量由项目开始时的800吨发展到超过3万吨，占稀土永磁总产量的五分之一。

    研究了混合稀土-铁-硼的内禀磁性，证明Ce对饱和磁化强度有贡献，发现La、Ce共替代有利于Ce 的价态向+3 价迁移，MMFeB具有制备永磁体的必要条件；揭示了快淬MM-Fe-B永磁材料的交换耦合作用和矫顽力机理。

    首次测定了La-Fe-B、Ce-Fe-B三元体系以及Nd2Fe14B-RE2Fe14B赝二元合金体系的相平衡，首次获得了稀土RE-Fe体系的相平衡与热化学实验数据自相一致的热力学参数，构建了稀土RE-Fe-B多组元合金体系的相图热力学数据库，为研究稀土永磁合金成分-组织结构-磁性能的构效关系提供了重要的热力学依据。

    4.柴油车用稀土基SCR催化剂实现产业化

    2016年2月24日，包头稀土研究院与河北华特汽车部件有限公司开始共同开展柴油车用SCR催化剂的研发。2018年1月，稀土基SCR催化剂通过中国汽车技术研究中心的台架实验测试，其性能达到并超过国五排放要求；在整车PEMS试验（包含城市和非城市道路）中，外国品牌钒基催化剂的有效窗口通过率为90%-92%，而稀土基SCR催化剂的通过率是100%。通过各项测试结果看出，稀土基SCR催化剂已成功摘下具有独立自主知识产权的柴油车用稀土基脱硝催化剂的“桂冠”，此项技术打破了跨国企业在中国的技术壁垒。

    2018年9月底成功建成稀土基SCR催化剂的粉体合成中试线，生产规模为每月2.5-3吨粉体。同年，北方稀土、河北华特和北京凯德斯合资组建北方稀土华凯高科技（河北）有限公司，共同建设柴油机用稀土基SCR催化剂及后处理系统项目，计划于2019年建成年产100 吨SCR催化剂粉体示范线（5万套/年），2022年建成年产1000吨SCR催化剂粉体生产线（25万套/年），预计到2023年可以实现500万升SCR催化剂和200万升DPF催化剂的销售，销售额达3.81亿元。

    在国五向国六快速推进过程中，合成了具有特殊孔道结构的含镧、铈等轻稀土化合物的催化剂，成功突破了国六催化剂的涂覆工艺。目前稀土基SCR催化剂的性能已完全达到国家国六排放标准要求。

    5.稀土上转换纳米材料光子动力学精准调控获得突破性进展

    中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员孔祥贵、刘晓敏课题组创新地将可控“离子纳米分区掺杂”技术和稀土离子延迟激发调控方法与Monte Carlo计算模拟方法相结合，在国际上首次清晰阐述了光子能量在多纳米层区域内的吸收、迁移、传递及复合的动力学过程，生动描绘了光子能量单次瞬态迁移迅速和“游走”随机等动力学图像，实现了光子动力学过程的精准调控，为解决光子上转换效率低的挑战性难题明确了方向。

    6.稀土电子浆料应用方面取得成果

    稀土电子浆料性能远远优异于传统电子浆料。具有智能、远红外、高效环保和绿色节能等特点，其电性能、热性能、磁性能、化学性能、机械性能无可比拟。

    广东匞辰电子科技有限公司根据之前的研究成果，对稀土电子浆料配方技术进一步升级和应用，研发出PTCR-稀土厚膜电路可控电热元件专利产品。该技术先后获得了国内发明专利、美国专利、日本专利及欧盟专利。这种智能芯片热源涉及到的关键技术，主要是多品种高导热系数基板材料构成，专业用于电热源领域，热性能稳定，国际上尚处于初期研发阶段。2018年，模块化组合式智能集热器系统研发成功,该技术应用于智能无胆电锅炉系列。其升温快、热效率高，节能，安全，环保，舒适，体积小巧，安装简便。它广泛适用于太阳能、风能、锂离子电池、智能家用电器、工业、汽车、能源、电力、军事等领域及各类新能源领域。

    7.极低场磁共振研究获进展

    中国科学院超导电子学卓越创新中心、中科院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室博士董慧团队，与德国于利希研究中心教授Krause课题组合作，将极低场磁共振成像（ULF-MRI）图像中±500Hz带宽内的工频噪声干扰抑制85%以上，解决了无屏蔽或简易屏蔽ULF-MRI成像的固有工频噪声干扰问题，向实现低成本可移动式MRI系统迈出了坚实的一步。

    磁共振成像（MRI）技术已成为临床医学诊断不可或缺的手段之一。目前主流临床MRI系统典型场强为1.5和3.0特斯拉，造价昂贵且对使用环境要求苛刻。ULF-MRI的工作场强比传统MRI低4个量级，具有系统简单、造价低廉、对金属不敏感的特点，且无需造影剂即可获得肿瘤与正常组织的本征T1对比度，近年来受到广泛关注和研究。然而来自电网的工频谐波噪声会在ULF-MRI图像中引入带状伪影。这些伪影将跨过样品图像，严重破坏成像质量，影响信噪比。该研究以超灵敏磁传感器——超导量子干涉器（SQUID）作为信号检测探头，基于工频谐波噪声的空间相关性，从传感器硬件构型和去噪算法设计出发，提出ULF-MRI工频谐波干扰的动态抑制方法。该方法的提出有助于降低系统对环境磁场的要求，为后续开展可用于日常普检的低成本移动式MRI系统研究奠定坚实基础。此方法可推广到采用传统线圈探测的地面磁共振成像、超极化磁共振成像等领域具有应用潜力。

    8.多自由度复用的多功能固态量子存储器研制成功

    中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在量子存储领域取得新进展，研制出多自由度并行复用的固态量子存储器，在国际上首次实现跨越三个自由度的复用量子存储，并展示了时间和频率自由度的任意光子脉冲操作功能。

    由于不可克服的光纤信道损耗，目前地面安全量子通信距离被限制在百公里量级。基于量子存储器的量子中继方案可以有效克服信道损耗从而拓展量子通信的工作距离，所以量子存储器是未来长程量子通信和量子网络的核心器件。量子网络实用化的关键指标是通信速率，而多模式复用量子存储器可以极大地提升量子网络的通信速率。对于经典的存储器，如硬盘或者优盘等，其一个存储单元一次只能存储一个比特。而对量子存储器，由于具有量子相干性，其一个存储单元可以一次性存储大量的量子比特，这就是复用的概念。原则上对量子存储器的各个自由度都可以进行复用。

    近年来，李传锋研究组一直致力于基于稀土掺杂晶体的复用量子存储的实验研究。2015年首次利用光子的空间自由度实现复用量子存储，存储维度数达到51维，至今保持固态量子存储维度数最高水平，复用时，可以把每一维作为一个模式，那么空间自由度就有51个模式。同年，利用光子的时间自由度，实现了100个模式的确定性单光子量子存储，至今保持复用固态量子存储的模式数最高水平。

    为了进一步提升量子存储器的复用能力，研究组创新性地采用多自由度并行复用的存储方案。比如在第一个自由度有M个存储模式，第二个自由度有N个模式，第三个自由度有P个模式，则量子存储器的总复用模式数为各个自由度模式数的乘积，即M*N*P。研究组选择光子的时间、空间和频率自由度进行并行复用，在国际上率先实现了跨越这三个自由度的复用量子存储。实验中采用了2个时间模式、2个频率模式、3个空间模式，总模式数达到2*2*3=12个，实验结果展示了多自由度并行复用量子存储的可行性。这种提升量子存储模式数的新方法，将在量子网络和量子优盘的研究中具有重要应用。

    在多模式复用的长程量子通信中，两个中继节点的工作模式可能各不相同，为了能够执行进一步的纠缠交换，不同的中继节点必须把工作模式变换到同一模式，这就需要模式变换功能。研究组巧妙地设计存储方案和存储装置，展现他们的多自由度复用量子存储器在时间及频率自由度具备任意模式变换功能。

    研究组还进一步证明他们的存储器可以在时间和频率自由度实现任意脉冲操作，代表性的操作包括脉冲排序、分束、分频、异频光子合束和窄带滤波等。实验结果表明，在所有这些操作过程中，光子携带的三维空间量子态都保持了约89%的保真度。该存储装置可以实现Knill-Laflamme-Milburn型量子计算所需的所有操作，所以该成果还有望在线性光学量子计算等领域取得更多的应用。

    9.中国首台永磁直驱电力机车下线

    2018年11月1日，拥有完全自主知识产权的永磁直驱大功率交流传动电力机车在中车大同公司正式下线，这是我国首台采用永磁和直驱技术的大功率交流传动电力机车。

    永磁直驱电力机车是我国继“快速客运电力机车”和“重载电力机车”之后，在交流电力机车领域又一新的突破，机车总效率将提升3%以上，每小时可节约电能200度，并具有维护成本低、绿色环保、静音等显著特点。同时，永磁直驱电力机车采用了直接驱动轮对技术，取消了传统的传动齿轮箱，结构简单，不仅有效降低机械能耗损失，驱动系统部件维护周期更是长达200万公里左右，为用户节省大量维保费用，产品综合经济效益优势显著。

    10.各向同性耐热粘结磁粉荣获中国专利奖等多项奖励

    2018年，有研稀土开发的各向同性耐热稀土粘结磁粉制备技术及产品相继获得第二十届中国专利优秀奖、第五届北京市发明专利二等奖和中国稀土科学技术科技进步二等奖。

    稀土粘结磁性材料以其高磁性能、高形状自由度、净终成型等特性，特别适合微特电机的应用，使电机更加节能、高效。随着新能源汽车、节能家电、智能机器人等下游应用的快速发展，急需高综合磁性能、高热稳定性各向同性粘结磁粉。

    基于此，有研稀土成功开发出各向同性耐热稀土粘结磁粉关键制备技术，解决了现有纳米晶粘结磁粉在复杂服役环境下的热稳定性问题，实现磁粉的综合磁性能与热稳定性同时提高。目前公司已成功开发出十余种高性能各向同性稀土粘结磁粉牌号，拥有年产1000吨的稀土粘结磁粉生产线，产品批量供应给国内外高端粘结磁体生产客户。