近日，上海大學(xué)、河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司（簡稱：龍鳳山鑄業(yè)）、冶金經(jīng)濟研究發(fā)展中心（簡稱：經(jīng)研中心）、上海大學(xué)（浙江）高端裝備基礎(chǔ)件材料研究院（簡稱：上善院）聯(lián)合組成的PI（純鐵）項目團隊，在王林軍教授和徐閏教授的帶領(lǐng)下成功制備出純度達到5N2的超純鐵（5N-6N）。這是繼項目團隊2021年制備出4N7高純鐵和2023年實現(xiàn)4N電解鐵產(chǎn)業(yè)化之后的又一重大科技突破，標(biāo)志著我國在鐵的提純方面躋身世界前列。

概述

純鐵是重要的工業(yè)原料，按照碳含量不同，將鐵分為生鐵、鋼和純鐵，其中將碳含量低于0.0218%的鐵稱為純鐵。與生鐵和鋼性能不同，4N級以上的高純鐵和超純鐵具有優(yōu)異的軟磁性能、耐腐蝕性能、延展性能、熱性能和導(dǎo)電性能等。作為原材料使用可以顯著提高特種合金、高端特種鋼、半導(dǎo)體和非晶等材料的性能和品質(zhì)，從而促進航空、航天、電子、能源、半導(dǎo)體等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。純鐵的提純技術(shù)既反映了一個國家的工業(yè)化發(fā)展水平，又體現(xiàn)了對鐵這個*大量材料的認知深度。

目前，我國大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的純鐵純度為99.0%-99.9%（2N-3N）。龍鳳山鑄業(yè)已實現(xiàn)高純生鐵和超高純生鐵的工業(yè)化生產(chǎn)并用于高端裝備制造。上海大學(xué)與龍鳳山鑄業(yè)經(jīng)過多年合作，在開發(fā)4N級高純鐵方面已取得了重要進展：2021年*制備出公斤級4N7高純鐵，2023年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化制備4N級電解純鐵。而5N級超純鐵的制備一直是*的科技難題，之前僅有發(fā)達國家日本和美國在實驗室制備出5N級超純鐵。

PI項目立項

2020年1月，針對國內(nèi)純鐵的純度與發(fā)達國家存在差距，為提升我國純鐵制備水平，上海大學(xué)、龍鳳山鑄業(yè)、經(jīng)研中心正式成立鐵基新材料研究院。2020年10月，在團隊協(xié)作下，龍鳳山鑄業(yè)成立了國內(nèi)*以純鐵生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用為主要目標(biāo)的省級研發(fā)機構(gòu)——河北省純鐵材料及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院。同年，龍鳳山鑄業(yè)與上海大學(xué)董瀚教授團隊制定出合作開發(fā)高純鐵和超純鐵新材料的科研方案，并開始實施PI項目。

在河北省發(fā)改委、工信廳和科技廳，嘉善縣以及上善院的大力支持下，在業(yè)內(nèi)專家的指導(dǎo)和鼓勵下，董瀚教授率領(lǐng)PI團隊不懈努力，針對我國純鐵的現(xiàn)狀，圍繞制備更高純度的純鐵、更低成本生產(chǎn)與應(yīng)用高純/超純鐵的目標(biāo)開展工作。

4N電解鐵產(chǎn)業(yè)化

2019年起至2023年，上海大學(xué)、上善院和龍鳳山鑄業(yè)組成的科研團隊成功研發(fā)出系列高超純鐵電解制備生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)了包含氣體元素在內(nèi)的全元素含量檢測的3N級電解鐵的低成本制備、4N級電解純鐵的產(chǎn)業(yè)化制備和4N級純鐵的低氧化制備技術(shù)�？梢耘�量提供市場全元素含量檢測的3N、3N5、4N和4N5系列的電解鐵產(chǎn)品。電解法制備4N級以上高純鐵實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，填補了國內(nèi)電解鐵市場完全依賴進口的局面，打破了國外技術(shù)封鎖，是我國基礎(chǔ)材料的一個重大進步。2023年，《4N級高超純鐵的研制與開發(fā)》項目榮獲由工信部、科技部、國防科工局等九部委組織的第五屆中國先進技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用大賽新材料領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新類*金獎。

連續(xù)攻關(guān)突破5N

為攻克5N級超純鐵制備技術(shù)難關(guān)，2022年4月，PI項目團隊中，上海大學(xué)光電子材料與器件研究中心主任王林軍教授將已有的半導(dǎo)體材料提純技術(shù)與鐵的超純化相結(jié)合，提出了區(qū)熔法提純超純鐵方案。徐閏教授率隊經(jīng)過兩年連續(xù)艱苦的科研工作，設(shè)計制造出國內(nèi)*臺超高真空垂直浮區(qū)感應(yīng)區(qū)熔爐。經(jīng)過大量深入細致的科研工作，進一步認識了鐵的提純規(guī)律和機理，形成系統(tǒng)的超純鐵提純技術(shù)。

PI團隊持續(xù)深入開展實驗工作，2023年9月，采用電解-真空熔煉-真空垂直區(qū)熔三種組合方式*開發(fā)了5N超純鐵。在經(jīng)過半年多的持續(xù)努力，于2024年3月獲得了一致性優(yōu)異、穩(wěn)定可重復(fù)的優(yōu)化提純工藝。

經(jīng)第三方檢測，5N超純鐵樣品純度高達5N2（99.9992%），其中氣體雜質(zhì)元素含量（碳氮氧氫）僅為4.5ppm，其余元素含量總和為3.2ppm（包含其他所有GDMS可準確測量的73種雜質(zhì)元素）。

未來可期

5N級純鐵的開發(fā)對材料的科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新、工程應(yīng)用等有著重要意義，5N級純鐵的成功制備是我國在這一領(lǐng)域的一項重大科技突破，使我國在純鐵科技領(lǐng)域躋身世界前列。

圍繞純鐵的純度提升研究依然任重道遠。針對5N級超純鐵本身，PI科研團隊將開展力學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、腐蝕和生物適應(yīng)性等方面的科學(xué)研究與應(yīng)用開發(fā)；團隊已瞄準下一步科研目標(biāo)，挑戰(zhàn)極純鐵（6N級）及區(qū)熔法制備大尺寸鐵單晶的前沿技術(shù)，未來可期！

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