中国国家脉冲强磁场科学中心的李亮教授正在介绍电子成型设备的外壳构件制造。 喻家山下有一座神秘的建筑，内部的设备可以产生相当于地球200万倍磁场强度的效果，对金属进行加工就像是“隔山打牛”。此地即为国家脉冲强磁场科学中心，简称“强磁场中心”。4月初，这个中心刚刚制造出直径为1.38米的世界上最大的电磁成形件，这个航天用的铝合金壳体。在下个月，直径为3.35米的电磁成形件将会推出。电磁制造工艺颠覆了传统的制造方式，作为一种革命性的技术手段，不仅在基础研究方面有所突破，在航空航天、新能源和医疗等领域也处于领先地位。
□ 电磁制造就像是在“远山上打牛”一样

。4月2日，长江日报记者去了华中科技大学的强磁场中心。在电磁制造实验室，一条小道由数十米长、三米高的电容器件组成，形成了一个“森林”般的景象。在小道的尽头，一个直径超过1米的金属构件被夹具紧紧固定在电磁成形装置上。尽管可以产生强磁场，但在这里，电压仅为380伏。一位博士后检查完铝合金构件的摆放后，关上实验室的门，按下按钮，一场电磁加工实验正式展开。加工现场并未火光冲天，处在摄像头监控下的场景显得相当平静。就像“隔山打牛”一样，就好像有一双看不见的手，给加工部件加上了巨大的力量。李亮教授，强磁场中心主任解释说，采用电磁加工制造大型金属构件的目的是为了解决传统生产工艺消耗材料多、成型精度低的问题。在传统的金属加工工艺中，为了加工出同样厚度的材料，必须消耗掉90%以上的原材料，而采用电磁制造技术则只需耗费不到10%的原材料。该电磁成型制造技术于2011年开始获得国家“973计划”的支持，并经过10多年的持续努力，如今方才实现真正的落地。这项技术利用金属构件与脉冲强磁场之间的电磁耦合作用来产生强脉冲电磁力。虽然无形中，却能瞬间爆发出巨大的力量，同时具有灵活多变的特点。李亮表示，目前，该中心已经成功研发出世界上首台电磁压边、工装、成形一体化的原型样机，已经完成了直径1.38米的国内外最大电磁成形件——航天用铝合金壳体件的整体成形制造。他们计划在下个月完成3.35米级火箭燃料储箱箱底的电磁整体成形制造，这将为我国的火箭产业带来革命性的技术手段和新的生产能力。采用脉冲强磁场对大型构件进行加工，属于"特种能场制造"的范畴。在成型过程中，构件的速度可以超过100米每秒，在短短几毫秒的时间内就能使构件顺利地完成高质量的塑性变形，从而形成我们需要的形状和性能。在强磁场中心，曹全梁教授表示，电磁成形制造工艺的出现让一些传统制造工艺相形见绌。材料利用率不仅大大提升，而且加工成本和周期也明显降低。在电磁制造实验室中，一根钢管和一根铝管被放置在焊接装置上。轻轻按下按钮后，它们迅速被紧密地焊接在一起，无法分离，实现了“拉郎配”的效果。钢和铝是异种材料，它们的物理和化学性质不同，熔点也各不相同，因此传统的焊接工艺无法将它们连接成一体。曹全梁解释说，电磁焊接是利用脉冲强磁场的作用，通过瞬时脉冲电磁力对金属构件进行高速冲击焊的一种特种加工方法，具有高能率和高速率。类似于爆炸焊，但并非真正的爆炸，而是完全可控制的。曹全梁手持钢铝焊接体告诉记者，经过验证，焊缝的强度超过了铝/钢母材的强度。当前，电磁焊接技术已被证实适用于多种板件的焊接，未来有望实现大规模应用。由于在高场磁体和精准时序控制等领域实现了全链条创新，我们已成功完成全球最大直径的异种金属管件焊接，相关技术路径已经畅通无阻。“

先在实验室探索技术途径，然后进入市场推动产业化，不断培育新的生产力，这是国家强磁场中心科学家们追求的目标之一。曹全梁解释说，脉冲强磁场的运作原理是先将能量储存起来，然后在瞬间释放出来，类似于手电筒的工作原理，其中有电池、电源和开关，强磁场使用电容器来储存电能，然后通过“开关”瞬间释放，产生强大的磁场强度。

脉冲强磁场技术的进步对于提高轻质构件的电磁成形制造能力和拓展应用领域至关重要。当前，强磁场中心已经达到最高峰值94.88特斯拉的磁场强度，大约是地球磁场强度的200万倍，并且创造了64T平顶脉冲磁场的世界纪录。这里的关键技术是在高能量冲击负载下让脉冲磁体“不爆”，实现力学稳定性。另一方面，在强电磁工况下，极短时间内调控磁场波形，并在毫秒级别释放能量。这些问题都是全球性挑战，我们已经成功克服了它们。在去年的九月二十九日，中车永济电机有限公司的风力发电机生产现场上，一个高1米的永磁风力发电机转子被放置在旋转台上。旁边有一个庞大的充磁装置，由充磁电源、充磁线圈和推进系统组成，它的尺寸长5米、宽4米、高3米。电闸合上时，强劲的电流发出“吱吱”声，立刻完成了一个磁体的磁化。一小时之后，这座20兆瓦的全球最大单机功率风力发电机的转子所有磁极都完成了充磁。就好像为车轮充气一样。李亮教授兴奋地表示：“这不仅可以显著提高生产效率和生产安全性，还能降低生产成本。”如果没有脉冲强磁场，就无法孵化出完整的充磁装置。由于整体充磁和退磁对磁场的要求更高，特别是在设计方面，只有掌握脉冲强磁场的产生和调控技术，才能实现整体充磁和退磁。2001年，李亮教授首次在国际上提出了大型永磁电机的“无磁装配 - 整体充退磁”技术。经过多次试验，该项技术已经在强磁场环境中得到验证，并最终实现了兆瓦级充退磁技术的发展路径，近年来已逐步走向市场。中车永济电机有限公司的副总经理和总工程师戴碧君自豪地表示，成功实现20兆瓦半直驱永磁风力发电机转子的整体充磁，表明我国在大型永磁风力发电机高性能制造方面已处于国际领先水平。李亮表示，传统的磁性退磁方法采用热退磁，需要把数百吨的转子加热到300℃以上，然后保持12小时以上。这种方法不仅消耗能量巨大，而且磁极的报废率达到40%。通过采用新的退磁技术，不仅能够显著降低能耗，退磁时间也从12个小时以上缩短到仅需100毫秒。此外，磁极的报废率也降低至1%。退磁技术非常迅速，不到1秒钟就能完成整个退磁过程。磁性补全就像轮胎充气一样方便快捷。根据

国家能源局官网的数据，截至2023年10月底，我国风电装机总容量已经达到了4.04亿千瓦。大型风力发电机通常的使用寿命约为20年。随着风力发电装机容量不断增加，早期投产的风力发电机组将面临大规模的“退役潮”。我们已经研发并制造了一套集充、退、补磁为一体的装置。根据李亮教授的规划，永磁电机的制造应使用“充磁”技术，永磁电机的运营维护则应采用“补磁”技术，再利用和再制造过程中则需使用“退磁”技术。目前，整体充退磁技术已成功应用于湘潭电机有限公司、中车永济电机有限公司等多家单位，并且可被广泛应用于高铁驱动电机、电动汽车、磁悬浮列车、永磁核磁共振成像仪、飞轮储能电机、轮船驱动电机以及航空航天高速电机等领域，产业前景非常广阔。「x」「x」■  磁控軟體機器人「可診可療」「x」「x」，相較於充磁裝置的龐大身軀，強磁場中心孵化出的磁控軟體機器人也在持續改進。两位教授李亮和曹全梁最近在《自然·通讯》网上发表了他们的最新研究成果，他们研发的新型磁控胶囊机器人的尺寸最小只有5.8毫米×13毫米。据报道，目前的磁控胶囊机器人通常采用内置永久磁铁的设计，存在体积大、药物携带量低以及医疗功能单一等问题。李亮团队将磁控软体机器人技术应用于胶囊结构设计，通过在传统的密闭式胶囊结构中构建磁性软体通道来实现独特的功能。该设计使得胶囊通道能够在无磁场的情况下自主关闭，并能在外加磁场下实现柔性可控。李亮表示，磁控胶囊机器人可以轻松进入人体，同时结合诊断和治疗。比如说，一种磁控胶囊机器人可以进入人体胃部，一旦发现病灶就能够进行药物投放。目前已经在新西兰兔身上进行了实验，并取得了成功，显示出在胃肠道疾病诊疗方面的潜在应用。

■ "吸引人才"和留住人才

“中国的脉冲强磁场设施是世界上最优秀的设施之一，为我们提供了最优质的技术支持。2016年10月26日，剑桥大学卡文迪许实验室的苏次塔·赛巴斯提安教授第一次来到国家强磁场科学中心。自那时以后，她和她的团队每年都要在武汉待上一个月，开展科学实验。在强磁场环境中，苏次塔得到了朱增伟教授的协助，并利用中心脉冲强磁场设备的实验条件，成功将科研成果发表在《自然·物理》期刊上。苏次塔女士荣获2022年度“科学突破奖”，以表彰她在高精度电子和磁力测量研究领域中所做出的杰出贡献。苏次塔指出，假如没有脉冲强磁场实验条件和服务，他们的研究也将面临很大困难。朱增伟告诉记者，苏次塔等能够来到武汉进行实验，这源于强磁场中心向全球用户开放共享。这不仅提高了强磁场中心在国际上的影响力，还使其成为一个全球真正的“追磁”中心，甚至包括他本人在内也是其中之一。2014年，时年33岁的朱增伟离开了美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的博士后研究工作，回到刚刚建成不久的华中科技大学强磁场中心。他在揭示新的量子物态相变等领域取得了新的成果。“我觉得国外的实验条件更好。”朱增伟决定在武汉定居，并带来了8名博士和4名硕士，享受充实幸福的科研生活。与朱增伟一样，今年34岁的李靖教授也做出了相似的决定，他在2021年2月辞去了在美国国家强磁场实验室的工作，并加入了华中科技大学强磁场中心。让他意想不到的是，有一些建设指标超过了美国，比如磁场磁体的孔径比美国大。国家非常支持年轻的科学家，并且乐于将科研工作交给他们处理，这一点在国外是不可想象的。”李靖说。吸引人才的同时也是为了留住人才，高端人才比例在该中心居全校之首，犹如强磁场般吸引人才。李亮骄傲地宣布，作为湖北的第一个大型科学装置，脉冲强磁场一开始就吸引了来自世界各地的科学家，在国家强磁场科学中心已经成为全球"追磁"的中心。据报道，大型科学设施是指致力于国际科技领域的前沿研究，并且为重要科技目标而建造的重要科技基础设施。这些设施在5年的时间内完成了西方国家需要20年才能建成的进程。在上世纪80年代，国外利用30多个已建成的脉冲强磁场实验装置，进行了领域前沿的科学研究，并赢得了多个诺贝尔奖项。由于长期缺乏这类设备，我国在这方面几乎没有任何进展。需要在强磁场环境下进行实验时，通常需要借用国外的实验室，这常常会导致科研领先优势的丧失。在华中科技大学落户是顺应形势而进行的。2001年，中国工程院院士潘垣倡议开始建设脉冲强磁场设施。2007年，李亮在美国GE公司担任技术骨干，受到时任华中科技大学校长李培根院士的邀请，毅然决定回国主持建设脉冲强磁场实验装置。李亮遇到了非同寻常的困难：发达国家的脉冲强磁场装置通常使用高强度、高导电性的线材，以及高功率、大能量的脉冲电源，以克服电磁应力和温升这两个限制因素。然而，这些关键技术和装备却遭受着国际上对中国的封锁。为了提高装置的运行效率，我们的建设团队并没有简单地照搬国外的经验，而是从零开始自己白手起家。每份电路设计图都是团队自己绘制的，每个零件都是团队自己安装和调试的。强磁场设备的关键核心材料和零部件全部经过自主研发，实现了国产化。我们已经实现了先进装置零部件的国产化85%，只有少数标准测量仪器需要进口，进口比例不到15%。李亮骄傲地宣布，脉冲强磁场实验装置在2008年4月开始建设，2013年10月竣工，2014年10月通过国家验收，正式对外开放。我国成功建成的装置使得脉冲强磁场技术在全球处于领先地位，实现了跟跑、并跑乃至领跑的突破性发展。我们花了5年的时间完成了别人需要20年才能完成的旅程。强磁场装置的建成为科学研究开辟了新的可能性。强磁场可以作为物质微观世界的放大镜，对于提升我国前沿基础科学研究和推动关键技术变革具有重要意义。李亮指出，简单地说，此设备可以为科学家提供“极端条件下的实验平台”，能够制造极强的磁场、极低的温度和极高的压力。在这种极端条件下，材料可以显现出一些在平常情况下无法观测到的物理效应和现象，这对于科研人员来说具有极大帮助，可以实现对新的前沿研究的突破，发现新的物理原理和材料。5年后，它升级为全球第一。 截至2024年2月，强磁场中心装置已累计运行85722小时。它为130所国内外高校和科研单位，如北京大学、清华大学、中国科学院物理研究所、哈佛大学、剑桥大学、德国德累斯顿强磁场实验室等，提供了1894项科研服务。在《自然》、《科学》等期刊上发表了1616篇论文，取得了众多原创成果，包括发现第三种规律新型量子振荡等。它先后获2018年湖北省科技进步奖特等奖、2019年国家科技进步奖一等奖。2023年11月，国家发展改革委批准了脉冲强磁场实验装置优化升级项目，总投资概算为20.9651亿元，计划建设期为5年。 华科大为了腾出建设用地，搬迁了两个学院。李亮教授认为，国家脉冲强磁场科学中心在优化升级中除了追求提高磁感应强度之外，还应该关注磁场的时间变化率和空间变化率，这两者形成的时空梯度能够产生更强的磁力。在优化升级过程中，引入了时空梯度，这将为我们带来更广阔的应用前景，同时也将持续不断地产生新的生产力。李亮表示，经过优化提升后，脉冲强磁场实验装置将领先全球，应用前景也更加广阔。举个例子，在磁共振成像中，可以将目前常见的3特斯拉或1.5特斯拉提升至9.5特斯拉，将亚毫米级的成像效果提高至30微米，实现量级的飞跃，对疾病的早期诊断更加有效。基于此，我们可以推出全新升级版的磁共振成像系统。目前全球最高的脉冲强磁场为100.75特斯拉，经过国家脉冲强磁场科学中心的优化升级后，将达到110特斯拉。不要低估这款9.25特斯拉的优点，相当于人类跑出9秒8的百米成绩后再将成绩提升至9秒，这其难度可想而知，但进步的预期也可想而知，超越的可能性也可预见。李亮对未来五年中心的强磁场充满期待。