“十四五”期间，上海大学（浙江）高端装备基础件材料研究院（以下简称上善院）聚焦国家战略需求，在铁基材料的高纯化、高性能化、创新应用等领域取得了一系列突破性成果。通过以“铁”为核心的材料科学创新，打造从基础研究到产业应用的完整创新链条，在高强韧材料、高纯净材料制备及绿色低碳冶金等方面达到国际先进水平，为我国高端装备制造、国防建设、新能源产业提供了关键基础材料保障，为“十五五”时期高端材料产业的高质量发展奠定了坚实基础。

高超纯铁是高端装备、核工业、半导体、精密制造等战略性产业的关键基础材料。长期以来，我国高纯铁主要依赖进口，成为制约相关产业发展的关键战略性问题。上善院董瀚团队通过深入铁的提纯科学机理研究，率先建立了系统的高纯铁制备理论体系，突破了多项关键技术瓶颈。

年产百吨级4N级电解铁生产线

该团队创新提出“火法冶金—湿法电解—真空区熔”三阶段分级提纯方法，开发了涵盖3N至5N级高纯铁的全系列工艺技术。其中，火法冶金生产技术实现年产百万吨级规模，湿法电解技术达到年产百吨级4N级高纯铁的工业化水平，真空区熔技术成功制备出5N2级超纯铁。特别值得一提的是，该团队建成了世界首条4N级高纯铁工业化火法冶金产线，突破了火法冶金生产纯铁的纯度极限，实现了小方坯高纯铁产品的规模化连续生产，形成了完整的产业化技术、质量、标准体系。

5N级铁棒样品

在深入研究铁的真空区熔提纯机理的基础上，该团队自主设计和制造了可用于高熔点易氧化特性材料提纯的超高真空垂直浮区感应区熔设备，成功将杂质总量从区熔前的25.47ppm降至7.45ppm，制备出5N2级超纯铁（全部77种可测量元素含量总和），达到国际领先水平。打破了国外技术垄断，替代进口关键材料，为我国高端装备提供了基础原材料保障。面向“十五五”，该团队将进一步聚焦于纯铁、6N级超纯铁，以及铁单晶制备的理论与技术研究，为核工业、高端软磁、半导体、精密制造及科学研究等领域提供关键超纯材料。

高强度与高韧性的协同一直是钢铁材料领域公认的世界性难题。随着强度提升，材料的塑韧性往往显著下降，尤其在极地船舶、深海装备、防爆装甲等极端服役环境下，对强韧性协同提出了更高要求。上善院高性能钢铁材料团队采用M3组织调控理论与应用技术，系统开展了第三代低合金钢强韧化研究。

该团队创新性地提出了基于多相组织精准设计的强韧化技术路线，突破了单一BCC组织超细化的塑韧性瓶颈，实现了高强度与高塑韧性的最佳匹配。通过高纯净度冶炼、控轧控冷（TMCP）工艺和精密热处理等先进制造手段，成功研发了700、900、1100、1300兆帕级系列高强韧防爆钢板，填补了国内该领域的技术空白。核心性能指标达到世界先进水平，其中，900兆帕级钢板的低温韧性（-40℃）从200焦提升至250焦，1100兆帕级钢板的低温韧性从50焦提升至150焦，均高于目前同级别钢板的最高韧性水平。

采用BR900与1300防爆钢板制备的模块化车体与轻型战术车辆

这些产品不仅保持了超高强度，还兼具优异的加工性能和焊接性能，满足极端工况下的综合服役要求。700兆帕级高强钢已通过8千克TNT实爆试验和整车爆破测试验证，供货数百吨，成功应用于外贸防雷车辆。以900兆帕与1300兆帕级防爆钢等制备的模块化新型战术车辆中的应用获得陆军装备部“先锋2023”二等奖，在军委装发部“金盾2022”防弹防爆技术挑战赛中获得第二名。该系列产品已形成军民融合的科技成果转化链条，为新型高强度低合金钢开发提供理论指导和技术支撑。

特殊钢产业是高端装备制造的基础，面临产品质量稳定性不足、生产效率低、能源消耗大等问题。上善院与企业深度合作，在紧固件、工模具钢和超高强度钢领域取得了显著突破，推动了特殊钢生产工艺的革新升级。

全谱系紧固件钢技术

连铸工模具钢与模铸特点对比

在紧固件领域，该团队攻克了强度提高伴随的延迟断裂技术难题，开发出8.8级~19.8级全谱系紧固件钢，其中14.9级紧固件钢已批量应用于轻型战术车辆；通过组建全产业链协同的研发团队，联合开发并实现了汽车发动机关键紧固件用SCM435钢、耐热紧固件用A286合金和1.4913钢的进口替代。该团队开发的8.8级~10.9级紧固件用非调质钢，已经推广应用于汽车、工程机械领域，显著降低生产环节碳排放。未来该团队将探索短流程紧固件制造新流程，进一步助推紧固件产业绿色转型；建成全球首款覆盖“材料生产—紧固件制造—服役评价”全流程的紧固件及材料数据库（faMAT）；探索基于试验室、文献和生产线数据的紧固件盘圆AI开发和生产技术，引领特殊钢行业智能化发展。

在高碳高合金工模具钢领域，该团队采用连铸和一火轧制的短流程，实现了高碳高合金工模具钢类产品的高效连续生产。成材率相比传统工艺大幅度提高，扁钢成材率提高10%以上。连铸坯断面较小，配合电磁搅拌技术，可获得更为细化的铸态莱氏体共晶组织，钢材组织性能更为均匀稳定。一火成材，流程简化，不仅大幅降低加工成本和能源消耗，还实现了吨钢减少0.68吨二氧化碳排放。

在超高强度钢领域，为解决强韧性倒置难题，该团队提出必须实现从材料设计到制备的全流程系统优化，并进一步提炼出决定性能突破的三大材料学核心要素：纯净度——严格控制杂质元素与夹杂物，以消除内部裂纹起源；均匀度——抑制成分偏析与组织梯度，保障材料整体可靠性；组织度——精准调控多尺度微观结构，实现强度与韧性的协同提升。基于该理论框架，该团队已取得系列进展：在工业化条件下制备的锻件强度达1500MPa~2200MPa，断裂韧性为60~120MPa·m1/2；中试条件下强度提升至2200MPa~2500MPa，断裂韧性为30~80MPa·m1/2；实验室条件下强度进一步提高至2500MPa~3000MPa，延伸率保持在2%~8%。目前，相关材料已实现锻件、棒料、板材及管材等多形态制备。

系列超高强度钢应力应变曲线

上善院坚持以“铁”为核心，在绿色低碳冶金、新型储能、生物农业等战略性新兴领域开拓创新应用，勾勒出从深空探索到日常生活的高效、绿色图景。

电解矿石制铁的表面和枝晶形貌

在绿色低碳冶金方面，该团队攻关电解制铁技术，克服了酸性电解制铁过程中铁矿石溶解差、电解效率低、亚铁离子氧化和水解等系列难题，在实验室成功制备出纯度达99.9%的纯铁。该技术通过电力直接还原铁矿石，若采用绿电，可实现近零碳排放，产品因没有碳冶金过程的杂质引入，可直接用于炼钢原料，为新型钢铁生产技术探索提供了中国方案。此外，电解制铁等方法也为月球冶金（月球制铁）提供了可参考方向，体现了该技术的战略前瞻性。

在新型储能领域，上善院于2024年启动了铁—空电池研究项目，这是一种基于铁氧化还原反应的新型储能体系，具有能量密度高（约200瓦时/千克）、环境友好、低成本等优势。该团队通过新型电解质和电极结构设计，初步克服了铁基负极、电解液体系、电池结构设计等难题，实现了铁—空电池的充放电，充放电效率在30%以上，为大规模储能、峰谷电调节、应急供电等领域的应用奠定了基础。

上善院铁—空电池样机

在生物与农业领域，上善院创新将高纯化技术与农业应用相结合，运用纳米级高纯铁结合绿色种植技术，开发出“富铁玉米”。2025年，上善院与嘉善农科所、河北保定百茂农业基地联合在浙江嘉善和河北保定各种植10亩“富铁玉米”示范田。数据显示，“富铁玉米”中铁的含量相对参照组提高10%~20%，籽粒铁含量近20ppm，相比普通玉米的约15ppm有显著提升。该产品直面营养性缺铁这一全球健康挑战，为粮食营养强化、生命健康提供了创新方案。

上善院“富铁玉米”

展望未来，上善院将坚持以创新驱动发展，继续深化基础研究与产业应用的结合，围绕高纯材料、高性能材料、绿色冶金、战略性新兴应用等方向，加强关键技术攻关，推进科技成果转化，为国家战略发展、产业升级、社会进步提供强有力的材料科学支撑。

（来源：中国冶金报社）