国家技术发明奖

(2018年度)一、项目基本情况项目名称空间碎片与高能粒子探测和防护关键材料及应用主要完成人刘日平张新宇闫军向宏文刘文昌于民提名者河北省提名意见空间技术对于国家安全、经济利益和科技发展具有重要战略意义.
空间飞行器服役环境苛刻,尤其高能粒子和微小碎片的危害最大,可造成空间飞行器致命损伤.
该项目针对空间高能粒子和微小碎片开展了系统研究,发明了全新的探测、防护关键材料与技术,突破了探测与防护中的关键材料制约性环节.
由此研制出空间高能粒子探测装置与防护结构,已多次用于资源卫星空间探测任务中,其中04星已在轨运行超过3年,并仍在稳定运行中.
所获得的实时数据,为多项空间任务的顺利完成提供了重要保证.
成功研制出具有完全自主知识产权的空间微小碎片探测装置与防护结构,实现了微小碎片的准确探测;防护结构与国外常用碎片防护技术相比,防护能力提高79.
8%(碎片速度7km/s).
新型防护结构已在天宫号空间实验室上成功应用,并被纳入我国空间站关键部位碎片防护设计中.
该项目在技术思路、原理、方法上实现了重大突破和自主创新,并建立了整套稳定、可靠的生产技术及标准,为解决我国以往实时数据匮乏、主要依靠地面模拟数据和国际拿来数据而造成的航天器超过盈设计突出问题做出了重要贡献.
与国际空间环境探测材料与技术相比,总体技术和主要性能达到国际同类技术领先水平.
相关技术已在载人航天、探月工程、对地观测等重大空间任务和国内近百家相关部门、企业推广应用,取得了显著的社会经济效益.
项目组提交的资料齐全、规范,符合申报要求,同意提名.

提名该项目为国家技术发明奖二等奖.
二、项目简介(限1200字)空间技术对于国家安全、经济利益和科技发展具有重要战略意义.
空间飞行器服役环境苛刻,特别是空间高能粒子和微小碎片,探测难度大,且难以规避,可造成空间飞行器致命损伤,不得不采取防护措施.
本项目在863、科工局专项、国家自然基金等资助下,针对高能粒子和微小碎片实时探测与防护这一国际性难题,发明了全新的探测、防护关键材料与技术,突破了探测器研制和飞行器重点部位防护中的关键材料制约性环节,成功实现了空间在轨探测与防护,为解决我国以往实时数据匮乏、主要依靠地面模拟数据和国际拿来数据而造成的航天器超过盈设计的突出问题做出了重要贡献.

主要技术发明:1、通过高能粒子与材料的作用机制研究,发现显著原子序数差异材料间的层状界面和内部相界对高能粒子具有突出的散射和减弱作用,为此发明了多界面耦合铝钨复合材料,用于屏蔽干扰粒子和对器件的防护.
不仅解决了以往单一高原子序数屏蔽材料的韧致辐照损伤和超重的国际性难题,而且屏蔽效果比国际上现用材料提高了56%,并减重45%.
由此基于PIN探头成功开发了空间高能粒子探测装置,4次通过资源卫星搭载实现了空间多能档电子和质子的准确测量.
2015年3月成功在轨探测到磁暴现象,获得实时高能电子通量数据2.
32X105e/cm2srsec,是平静期的5倍,为空间任务的顺利执行提供了重要保障.
2、通过微小碎片与材料超高速撞击动力学机理研究,发现微小碎片撞击引发的电信号变化和形成碎片云的形态与被探测碎片的尺寸、动能之间存在着特定物理关联.
由此发明了用于空间微小碎片探测的高强度、高硬度、耐冲击的复合材料及其制备方法,并开发出空间微小碎片探测装置,实现了空间微小碎片体积、速度和通量的高精度探测.
相关技术已成功通过验证,确保了空间任务的顺利执行.

3、针对航天器微小碎片撞击难防护的国际性难题,通过系统的超高速撞击试验,发现高强度材料与高塑性材料层状复合对入侵碎片具有突出的防护作用.
通过异步轧制发明了强塑复合材料轧制协同变形关键技术,开发出钛铝镁等强塑复合材料.
研制出具有完全自主知识产权的空间碎片防护结构,与国外常用碎片防护技术相比,在碎片速度7km/s时,弹道极限从4.
05提高到7.
28mm,防护能力提高了79.
8%.
相关技术在天宫号空间实验室上成功应用,并被纳入我国空间站关键部位碎片防护设计中.

相关技术已在载人航天、探月工程、对地观测等重大空间任务和国内近百家相关部门、企业推广应用,取得了显著的社会经济效益,并具有巨大的潜在社会经济效益.
申请国家发明专利45项,已授权32项;在Phys.
Rev.
Lett.
、ActaMater.
、J.
SpacecraftRockets等期刊发表论文200多篇,SCI收录175篇,SCI引用超过2900次(他引2136次).
Science、Nat.
Mater.
等论文对相关工作给予了高度的评价.

三、客观评价1、鉴定意见与评价(N)(1)空间抗碎片毁伤和探测材料与技术鉴定意见2006年12月31日,总装备部电子信息基础部在北京组织了"空间抗碎片毁伤和探测材料与技术"成果鉴定会,以姜景山院士为组长的鉴定委员会认为该成果提出了利用锆合金及其复合材料在空间抗碎片毁伤和空间碎片探测中应用的新思路,主要技术指标达到国际领先水平.
随着我国空间体系建设的不断深入,该成果必将发挥更显著的作用.

(2)空间环境探测关键器件及材料鉴定意见2016年9月5日以赵连城院士、屠海令院士、周济院士等专家组成的鉴定委员会在秦皇岛对该项目进行了验收鉴定,鉴定委员会认为本项目发展了空间环境探测和防护新材料与新技术,实现了重大突破和自主创新,该成果满足了我国空间飞行器中的迫切需求,整体技术达到国际先进水平,空间高能粒子屏蔽与防护技术处于国际领先水平.

(3)知名学者对本项目评价国家最高科学技术奖获得者、中国第一颗人造地球卫星技术总负责人、探月工程总设计师、中国工程院院士孙家栋分别于2007年8月22日、2014年8月20日对该项目进行现场指导.
孙家栋院士认为:该研究团队在空间碎片与高能粒子探测和防护关键材料及应用项目研究中大胆创新,取得了具有国际领先水平的成果.
项目发明的空间碎片和高能粒子探测与防护关键材料和技术,将对载人航天、探月工程等重大空间任务的顺利执行提供重要保障.

中国探月工程副总设计师、中科院空间中心原主任、中国工程院院士姜景山分别于2008年3月20日、2012年8月16日、2014年8月18日对该项目进行现场检查、指导.
姜景山院士认为:项目团队立足空间环境探测和防护这一重要的国际难题,开发了全新的探测、防护关键材料与技术,实现了重大突破和自主创新.
发展了具有独立知识产权的探测和防护装置,达到国际领先水平,为解决我国航天急需和航天任务执行做出了重要贡献.

2、科技查新报告(N)教育部科技查新工作站对"空间碎片与高能粒子探测和防护关键材料及应用"项目的查新检索.
技术要点:发现显著原子序数差异材料间的层状界面和内部相界对高能粒子具有突出的散射和减弱作用,为此发明了多界面耦合铝钨复合材料,用于屏蔽干扰粒子和对器件的防护.
发明了高强韧锆合金和TiN-AlN-TiB2材料,并开发出空间微小碎片探测新技术,实现了空间微小碎片体积、速度、能量和通量的高精度探测;发现高强度材料与高塑性材料层状复合对入侵碎片具有突出的碎化、熔化和雾化作用.
通过异步轧制发明了强塑复合材料轧制协同变形关键技术,开发出钛铝镁等强塑复合材料.
研制出具有完全自主知识产权的空间碎片防护结构,与国外常用碎片防护技术相比,在碎片速度7km/s时,弹道极限从4.
05提高到7.
28mm,防护能力提高了79.
8%.
报告结论:通过对检索到的相关文献进行分析对比,在上述国内外检索范围公开发表的中外文文献内,未见与查新课题查新点研究内容相同的文献报道.

3、主要用户认可意见(N)本项目突破了空间高能粒子和微小碎片探测与防护中的关键材料问题.
成功设计开发了空间高能粒子探测装置,已用于资源卫星1号01、02、02B、04星等多项空间探测任务中.
其中用于04星的探测装置已在轨稳定运行超过3年,并仍在稳定运行中,获得了空间高能粒子实时数据,为多项空间任务的顺利完成提供了重要保证.
发明了空间碎片防护新材料与新技术,研制出具有完全自主知识产权的防护结构,实现了空间碎片的有效防护,相关技术在天宫号上成功应用,并被纳入我国空间站关键部位碎片防护设计中.

4、论文引用与评价项目实施过程中,申请国家发明专利45项,已授权32项;在Phys.
Rev.
Lett.
、ActaMater.
、J.
SpacecraftRockets等期刊发表论文200多篇,SCI收录175篇,SCI引用超过2900次(他引2136次).
Science、Nat.
Mater.
等论文对相关工作给予了高度的评价.

四、推广应用情况该成果在多项重大空间任务和多家相关部门、企业推广应用,其中包括:航天五院501部是我国最具实力、最权威的空间技术及其产品的研制基地和我国空间事业发展的骨干力量.
主要从事空间开发、航天器研制、空间领域对外技术交流与合作、卫星应用及空间技术二次开发等领域;北京空间技术研制试验中心是中国空间技术研究院载人航天器业务的责任主体和业务总体单位,承担着载人航天器领域的发展规划、预先研究、总体设计、系统集成、运营支持和载人航天器应用研究,并负责开展相关领域的国际合作;另外鹰领航空高端装备技术、北京天驰星科技有限公司等企业为各行业的重要企业,代表行业水平.

航天五院501部:新发展的空间高能粒子防护和探测新技术,用于资源卫星1号01、02、02B、04星等多项空间探测任务中.
获得了空间高能粒子实时数据.
发明了空间碎片防护新材料与新技术,研制出具有完全自主知识产权的防护结构,实现了空间碎片的有效防护,相关技术在天宫号空间实验室上成功应用,并被纳入我国空间站关键部位碎片防护设计中.

北京空间技术研制试验中心:发明空间碎片防护新材料和新技术,高效地完成了空间站的空间碎片防护设计任务,使得空间站全部密封舱的非失效概率达到95%,实现了预定的设计指标,可保证空间站的长期在轨安全.

鹰领航空高端装备技术秦皇岛有限公司:空间探测与防护技术推广应用于军、民领域,发展了薄膜与防护技术大幅提高了轴承、滑道与锁紧机构的使用寿命.
近三年,公司大量承担了航天与航空、风力发电等行业装备研发、关键机构件服役性能评价等任务.

北京天驰星科技有限公司:开展探测器材料光刻加工、电路印制、PCB抗干扰设计等工作并将新技术推广应用于军民融合领域,在新材料光刻、电路印制和抗干扰方面形成了企业的核心竞争力,创造了显著的企业经济效益.

深圳前海众原环农科技控股有限公司:利用燕山大学提供的内衬防护技术,固废处理设备的使用寿命、生产效率、生产安全性和产品竞争力大幅提高,获得用户广泛认可,为企业创造了良好的经济效益.

中鼎特金(秦皇岛/深圳)股份有限公司:引进了燕山大学高性能锆合金、铝钛锆复合板生产技术,形成了公司主打产品.
在公司成立之前,本公司就与深圳市禧德弘光投资股份有限公司联合,将其中多界面耦合铝-基复合屏蔽材料加工技术产业化.
该产品具有突出的屏蔽性能和抗腐蚀特性,技术可靠性高,已形成稳定的累积叠轧生产技术并大规模生产,为企业创造了良好的经济效益.

五、主要知识产权证明目录(不超过10件)知识产权类别知识产权具体名称国家(地区)授权号授权日期证书编号权利人发明人发明专利有效状态发明专利一种铝-钨复合材料及其制备方法中国ZL201210071552.
22014.
04.
161382372燕山大学刘日平,刘崇宇,马明臻,王强,贾元智有效专利发明专利一种基于碳化硅纤维织物的填充式Whipple防护结构中国ZL201110015055.
62014.
08.
1327685北京空间飞行器总体设计部闫军,郑世贵,韩增尧,单立有效专利发明专利一种钛/铝/镁三层复合板及其制备方法中国ZL201410181746.
72017.
02.
152379485燕山大学刘文昌,王强,马旻,刘日平,王国军,王德满有效专利发明专利一种高强度锆合金及制备方法中国ZL201511000330.
12017.
09.
262637022燕山大学刘日平,张治国,马明臻,张新宇,冯志浩,夏超群,张星,刘曙光有效专利发明专利一种低温制备TiN-AlN-TiB2陶瓷复合材料的方法中国ZL201410695894.
02016.
05.
042054627燕山大学张新宇,秦家千,薛亚楠,马明臻,刘日平有效专利发明专利一种基于玄武岩纤维织物的填充式Whipple防护结构及制造方法中国ZL201110015054.
12014.
08.
1327213北京空间飞行器总体设计部闫军,郑世贵,韩增尧,单立有效专利发明专利一种降低高强度锆合金锻造变形抗力的热加工方法中国ZL201410234054.
42016.
05.
182078198燕山大学刘文昌,谭元标,刘日平有效专利发明专利微小空间碎片探测用探测器探头及其传感器制备方法中国ZL201410588832.
X2016.
11.
232298114北京空间飞行器总体设计部郝志华,向宏文,王金延有效专利发明专利基于键合基片的超薄硅PIN高能粒子探测器及制备方法中国ZL201110452444.
52012.
06.
131388299北京大学于民,董显山,田大宇,金玉丰有效专利发明专利一种钛/铝/钛三层复合板的热轧复合方法中国ZL201210045630.
12014.
03.
121362060燕山大学刘文昌,孟鑫,霍鹏,刘日平,苑辉有效专利六、主要完成人情况表姓名刘日平排名1技术职称教授工作单位燕山大学完成单位燕山大学对本项目技术创造性贡献:项目总负责,组织、策划整个项目的立项、实施和完成,组织项目的理论研究、技术攻关和产业化实施.
主要负责高能粒子与微小碎片对材料的作用机制研究,提出探测和防护关键材料开发的总体思路,由此发明了用于高能粒子探测器侧壁屏蔽的多界面耦合铝钨复合材料以及用于微小碎片探测与防护的高强度、高塑性层状复合材料.
建立了整套稳定、可靠的生产技术.
实现了新材料在空间碎片和高能粒子探测和防护中的应用.
以上工作应用于:N曾获国家科技奖励情况:高强韧新型锆合金设计、制备及其在空间活动构件上的应用,国家技术发明二等奖,2012,排名1六、主要完成人情况表姓名张新宇排名2技术职称教授工作单位燕山大学完成单位燕山大学对本项目技术创造性贡献:发展了锆合金强韧化设计理论方法和多元复合材料的设计方法,发明了高强度、高硬度、耐冲击的复合材料及其制备方法,建立了稳定、可靠的生产技术.
系统开展了材料性能优化、组织结构演化和微小碎片与材料超高速撞击动力学机理研究,实现新材料在空间碎片和高能粒子探测和防护中的应用.

曾获国家科技奖励情况:六、主要完成人情况表姓名闫军排名3技术职称研究员工作单位北京空间飞行器总体设计部完成单位北京空间飞行器总体设计部对本项目技术创造性贡献:主要负责空间碎片防护研究工作,开展了航天器撞击失效模式及防护方案研究、典型防护结构设计及防护材料选择研究.
通过大量数值模拟和超高速撞击实验,设计了空间飞行器防护结构,显著提高了航天器安全性.

曾获国家科技奖励情况:六、主要完成人情况表姓名向宏文排名4技术职称高级工程师工作单位北京空间飞行器总体设计部完成单位北京空间飞行器总体设计部对本项目技术创造性贡献:主要负责空间高能粒子、微小碎片探测技术以及传感技术研究.
开展了空间小型集成化探测器设计及研制,并获得了在轨环境数据,检验了航天器空间高能粒子防护结构的可靠性.
开展了微小空间碎片测量技术研究,通过地面试验和机理研究,设计出微小碎片撞击传感器,研制成功微小碎片通量测量装置.
相关技术提高了航天器在轨安全运行能力.

曾获国家科技奖励情况:六、主要完成人情况表姓名刘文昌排名5技术职称教授工作单位燕山大学完成单位燕山大学对本项目技术创造性贡献:主要负责高强度材料与高塑性材料层状复合材料的研制工作,发明了钛铝镁等多层复合板,其界面结合紧密,无明显的显微缺陷和脆性金属间化合物;与等重量铝合金板材相比,该复合板的抗高速冲击毁伤性能提高50%以上,应用于空间碎片防护结构.

曾获国家科技奖励情况:六、主要完成人情况表姓名于民排名6技术职称副教授工作单位北京大学完成单位北京大学对本项目技术创造性贡献:主要负责空间高能粒子探测研究.
开展了超薄硅探测器的高灵敏结构和低噪声技术、大面积超薄结构的制备技术、超薄探测器的高可靠封装技术、探测器结构数值仿真模拟等研究,建立了成套的硅膜加工技术,为空间高能粒子探测器的研制奠定了基础.

曾获国家科技奖励情况:七、完成人合作关系说明燕山大学刘日平主持该项目的总体设计、基础理论和关键技术研究,突破了探测器研制中的关键材料制约性环节,在技术思路、原理、方法上实现了重大突破和自主创新.

在基础理论和关键技术方面,刘日平带领空间碎片与高能粒子探测和防护关键材料及应用团队对项目的核心技术的建立做出了贡献.
其中,与张新宇,共同发明专利《一种低温制备TiN-AlN-TiB2陶瓷复合材料的方法》,发明了用于空间微小碎片探测中的新材料;与刘文昌,共同发明专利《一种钛/铝/镁三层复合板及其制备方法》、《一种钛/铝/钛三层复合板的热轧复合方法》,发明了多层复合材料;2009年项目组刘日平、闫军、向宏文、于民、张新宇作为研究团队入选国防科工局第二批国防科技创新团队,团队名称:超常规条件下特种材料的制备与服役;团队带头人:刘日平.
团队针对空间特殊环境,开展了超常规条件下特种材料的制备与服役研究工作,提出空间碎片与高能粒子探测和防护关键材料的设计理论,发展了材料的制备方法;项目组成员向宏文与于民共同发表论文《FabricationofthinsiliconPINdetectorbasedonwaferbondingtechnology》,系统研究了高能粒子探测器的一种新的结构设计和制备工艺技术.