近日，上海大學(xué)（浙江）高端裝備基礎(chǔ)件材料研究院（簡(jiǎn)稱上善院）傳來喜訊，由上善院、上海大學(xué)、河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司、冶金工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究發(fā)展中心聯(lián)合組成的PI（純鐵）項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，成功制備出了純度達(dá)到5N2的超純鐵，這也標(biāo)志著我國(guó)鐵的提純技術(shù)躋身世界前列。
什么是超純鐵？上海大學(xué)、上善院教授徐閏介紹，按照碳含量不同，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，純度在4N—6N級(jí)（99.99%—99.9999%）的純鐵稱為高純鐵及超純鐵。
與生鐵和鋼的性能不同，4N級(jí)（99.99%）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(jìn)航空、航天、電子、能源、半導(dǎo)體等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
純鐵是重要的工業(yè)原料，其提純技術(shù)反映著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)化發(fā)展水平，純鐵制備工藝也一直是世界級(jí)的科技難題，此前，僅有日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在實(shí)驗(yàn)室制備出了5N級(jí)超純鐵，在我國(guó)，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的純鐵純度僅為2N—3N級(jí)（99.0%—99.9%）。
“想要制備超純鐵，無論是設(shè)備、技術(shù)還是工藝，都是一道道必須攻克的難題。”徐閏說。
2021年，作為嘉善縣人民政府與上海大學(xué)合作共建的高能級(jí)創(chuàng)新載體，上善院正式入駐嘉善。帶著“制備更高純度純鐵”的目標(biāo)，徐潤(rùn)和團(tuán)隊(duì)成員一頭扎進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室。2022年4月，團(tuán)隊(duì)中的上海大學(xué)光電子材料與器件研究中心主任王林軍將已有的半導(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。隨后，徐閏率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)超高真空垂直浮區(qū)感應(yīng)區(qū)熔爐。2023年9月，PI項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過電解—真空熔煉—真空垂直區(qū)熔3種組合方式首次生產(chǎn)出了5N級(jí)超純鐵。又經(jīng)過半年多的努力，今年上半年，一項(xiàng)一致性優(yōu)異、穩(wěn)定可重復(fù)的提純工藝正式出爐。
經(jīng)第三方檢測(cè)，經(jīng)該提純工藝制備出的超純鐵樣品純度高達(dá)5N2（99.9992%）。其中，氣體雜質(zhì)元素含量（碳氮氧氫）僅為4.5ppm（百萬分之一），其余元素含量總和為3.2ppm。
徐閏表示，提純研究依然任重道遠(yuǎn)，針對(duì)5N級(jí)超純鐵本身，他們還將開展力學(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)，并準(zhǔn)備向下一個(gè)科研目標(biāo)“極純鐵（6N級(jí)）”發(fā)起挑戰(zhàn)。
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