挑战杯特等奖！哈工程本科生为航空设备打造信息安全“金钟罩”

“青年学子要树牢科技报国志，刻苦学习钻研，勇攀科学高峰，在推进强国建设、民族复兴伟业中绽放青春光彩。”第十八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛闭幕式现场，哈工程“御磁坚盾”团队将习近平总书记对青年学子的嘱托放在了优秀项目展示页面上。探索三年，这支由8名本科生组成的队伍，用实际行动践行了习近平总书记的嘱托。

▲团队作为主体赛全国四个高校代表之一

在闭幕式现场进行优秀项目展示

面向新质生产力应用需求，他们研发的“超轻高强韧镁锂基电磁屏蔽材料”，不但可以为航空航天、雷达通信等设备提供电磁屏蔽防护，还做到了在提高材料强度和韧性的同时降低重量。他们的项目从全国2000多所高校的40余万件作品中脱颖而出，获得挑战杯主体赛特等奖。基于研究，团队发表了4篇SCI论文、1篇北大核心期刊论文，其中3篇为学生第一作者，团队成员作为第一作者获得授权发明专利1项，实用新型专利3项，软件著作权1项。

面向国家需求，

用镁锂合金打造尖端设备“金钟罩”

“电磁屏蔽主要解决的是电磁泄露和电磁干扰问题。”“御磁坚盾”团队负责人、来自材料科学与化学工程学院的2020级本科生郭政佑说，在信息安全、航空航天和民用设备等领域，电磁屏蔽都是设备研发时需要重点关注的问题。“以航空设备为例，外太空复杂的电磁波环境，会造成设备精度下降、错误操作、系统崩溃等一系列不良影响。”

团队在科技成果展现场与巫瑞智教授合影

（从左起为李佳睿、巫瑞智、郭政佑、贾昊阳）

要提高设备的电磁屏蔽性能，材料的选择是关键。以铁、银、镍、铜、铝等为代表的金属基屏蔽材料虽然具有较为优异的电磁屏蔽性能，但是重量不够轻、加工性差。大二时，郭政佑在巫瑞智教授的专业导论课上，第一次接触到了世界上最轻的金属结构材料——镁锂合金。

“镁锂合金是理想的电磁屏蔽材料，但是要想开展工程应用，需要协同提高其功能、结构和工艺三方面性能，才能达到尖端设备的使用需求。”带着自己的浓厚兴趣，郭政佑加入了巫教授带领的“镁锂基电磁屏蔽材料”课题研究，与一群志同道合的小伙伴开启了镁锂合金材料综合性能提升的研究之路。

“要让三方面性能协同提升，就像在玩跷跷板的时候找平衡。”郭政佑说，在功能方面，传统提升屏蔽性能的方法，会使材料强度变差或者重量上升；结构方面镁锂基材料强度提高，塑韧性相应降低；工艺方面传统复合工艺危险性高且复合效果差。

“我们尝试找到一种融合方案，一并解决这些问题，为尖端设备打造一个信息安全‘金钟罩’。”郭政佑带领团队，开始大量查阅相关文献。

从弹球游戏中获得灵感，

将电磁波消灭在“墙内”

国内外研究中，提升电磁屏蔽性能的方法各有不同。改善导电性、提高导磁性、改变晶粒尺寸等都可以间接提高电磁屏蔽性能，但是也会导致其他性能的降低。

怎样在不影响材料其他性能的前提下实现电磁屏蔽性能提升？正在团队苦思冥想时，郭政佑突然想到了他在微信上玩过的弹球小游戏。为什么不能像控制弹球一样控制电磁波，让他在穿透材料的过程中就损耗减弱直至消失？

“就好像在材料内部竖起一道道‘墙壁’，增加电磁波在‘墙壁’间的反射次数，让它的力量逐渐减弱，难以穿透材料。”郭政佑打了个形象的比方。

▲弹球游戏原理

按照这个思路，团队结合传统的电磁反射损耗原理， 建立了多维平行界面电磁损耗计算模型，成功计算出电磁波进入材料后的反射路径与电磁损耗，在理论上证明了设想的可行性。

▲多维平行界面电磁损耗计算模型

技术路线豁然开朗，实施路径却错综复杂。如何获得大量平行界面成为了项目研发的核心技术关键。

“为了不影响材料的力学强度，我们选择了累积叠轧工艺。就像擀面，我们擀平后切开叠起再擀，不断重复，从而得到材料内部数量巨大的高平行度界面。”郭政佑介绍道。

不断调整叠轧温度参数、反复优化单次压下量......反复实验了五次，团队终于得到了理想的多维平行界面。经过检验，该材料有效屏蔽波段范围远超现有的铜、铝、铁等金属基屏蔽结构材料，同国外先进镁基屏蔽材料研究成果对比，屏蔽效能提升15%-25%的同时，重量降低了20%。

选最优材料，

让“鱼与熊掌”可以兼得

解决了功能问题，团队还面临着结构和工艺两道难关。

实现镁锂基材料强度和塑韧性协同提升，材料的选择是关键；而复合制备技术则需要克服制备过程中危险性高和增强体分布不均匀的瓶颈。

各项性能的平衡，是一项复杂的系统工程，“我们既要考虑电磁屏蔽性能、强度、韧性、重量，还要考虑工艺的可行性、安全性等等，必须找到‘最大公约数’。”团队成员李佳睿解释道。

从2022年8月到2023年5月，团队在巫瑞智老师和师兄师姐的指导下，在实验室开启了一轮又一轮的实验。

团队先后尝试了超过15种合金元素的配比，对材料成分进行优化。“不合适的元素比例，会让材料成形性不够好，在累积叠轧的时候，一轧就断裂了。”李佳睿说。

通过大量的实验探索和文献调研，团队成员最终利用纳米析出强化和剧烈塑性变形晶粒微细化的方法，实现了对材料强度和塑韧性的协同提升，完成了“刚柔并济”的目标。

▲负责人进行时效热处理析出强化实验

在复合工艺探索时，团队选择了多壁碳纳米管作为增强体，这种材料具有抗变形、高导电性、低密度的特点，将其作为镁锂合金基体的夹层，可以满足其作为装备结构件的刚度要求。“复合时我们采用了电泳沉积的工艺，让增强体可以更紧密、更均匀地跟镁锂合金结合。”回忆起当时的实验场景，郭政佑说，“因为实验强度太大，一开始的参数设置又不太合适，我们报废过一台电源、两台磁力搅拌器，那也是我们实验过程中难忘的经历。”

替换再替换，改进再改进，大家反复尝试着各种材料的组合和配比。终于，一种集超轻、高强韧、高电磁屏蔽性于一体的多功能镁锂基复合材料在实验室诞生了！

▲团队制备出的超薄镁锂基电磁屏蔽箔片

“这种超轻镁锂基电磁屏蔽材料未来有望作为航空航天、雷达通信等设备中的电磁屏蔽结构件进行应用，将可以有效满足各类电子设备对于结构、屏蔽性的使用需求和目标。”团队在负责人郭政佑牵头下达成了代工合作协议，并已实现了超薄箔材的产业化成形验证，同多家企业开展了密切合作。

“御磁坚盾”团队由4名大四本科生和4名大三本科生组成，目前所有大四成员已经全部保研。本科期间，郭政佑综合成绩专业第一，连续3年获得国家奖学金，他说：“好的学习成绩是科创道路上的基石，我们团队一直坚信，学习与科创是相辅相成的。”

郭政佑作为全场唯一本科生，在“科技产业金融一体化雄安站”路演活动开幕式上，作为全场仅四个的“亮相项目”进行现场汇报

“今年两会中提到的新质生产力，其中很多关联就在工业互联网、新能源智能汽车等方面，我们所研发的电磁屏蔽材料，是在传统基础制造业的基础上，面向了这些新质生产力的应用需求点。”郭政佑介绍道。下一步，团队将继续深入攻关，开发更先进、更高效、更高质量的新型电磁屏蔽材料，使其应用在民生电子消费等领域。指导教师巫瑞智教授说：“把‘基础的材料制造行业’和国家大力倡导的‘新质生产力’相结合，是我们材料科学与工程专业学生未来需要攻关深入的方向。”

3篇SCI论文、1项专利！

哈工程本科生打造镁锂合金“防护甲”

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    哈尔滨工程大学    

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撰文 | 李颖超 章雨铭  李鸿岳

排版 | 蔡定阳

责编 | 霍萍

审核 | 吕冬诗 金声