國家技術發(fā)明獎

1、國家技術發(fā)明獎（2018年度）一、項目基本情況項目名稱空間碎片與高能粒子探測和防護關鍵材料及應用主要完成人劉日平 張新宇閆軍 向宏文 劉文昌于民提名者河北省提名意見空間技術對于國家安全、經濟利益和科技發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。 空間飛行器服役環(huán)境苛刻，尤其高能粒子和微小碎片的危害最大，可 造成空間飛行器致命損傷。該項目針對空間高能粒子和微小碎片開展 了系統(tǒng)研究，發(fā)明了全新的探測、防護關鍵材料與技術，突破了探測 與防護中的關鍵材料制約性環(huán)節(jié)。由此研制出空間高能粒子探測裝置 與防護結構，已多次用于資源衛(wèi)星空間探測任務中，其中04星已在軌 運行超過3年，并仍在穩(wěn)定運行中。所獲得的實時數據，為多項空間 任

2、務的順利完成提供了重要保證。成功研制出具有完全自主知識產權 的空間微小碎片探測裝置與防護結構，實現了微小碎片的準確探測； 防護結構與國外常用碎片防護技術相比，防護能力提高79.8% （碎片 速度7km/s）。新型防護結構已在天宮號空間實驗室上成功應用，并被 納入我國空間站關鍵部位碎片防護設計中。該項目在技術思路、原理、 方法上實現了重大突破和自主創(chuàng)新，并建立了整套穩(wěn)定、可靠的生產 技術及標準，為解決我國以往實時數據匱乏、主要依靠地面模擬數據 和國際拿來數據而造成的航天器超過盈設計突出問題做出了重要貢 獻。與國際空間環(huán)境探測材料與技術相比，總體技術和主要性能達到 國際同類技術領先水平。相關技術已

3、在載人航天、探月工程、對地觀 測等重大空間任務和國內近百家相關部門、企業(yè)推廣應用，取得了顯 著的社會經濟效益。項目組提交的資料齊全、規(guī)范，符合申報要求，同 意提名。提名該項目為國家技術發(fā)明獎一等獎?？臻g技術對于國家安全、經濟利益和科技發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義?？臻g飛行器服役環(huán) 境苛刻，特別是空間高能粒子和微小碎片，探測難度大，且難以規(guī)避，可造成空間飛行器 致命損傷，不得不采取防護措施。本項目在863、科工局專項、國家自然基金等資助下， 針對高能粒子和微小碎片實時探測與防護這一國際性難題，發(fā)明了全新的探測、防護關鍵 材料與技術，突破了探測器研制和飛行器重點部位防護中的關鍵材料制約性環(huán)節(jié)，成功實 現了

4、空間在軌探測與防護，為解決我國以往實時數據匱乏、主要依靠地面模擬數據和國際 拿來數據而造成的航天器超過盈設計的突出問題做出了重要貢獻。主要技術發(fā)明：1、通過高能粒子與材料的作用機制研究，發(fā)現顯著原子序數差異材料間的層狀界面和 內部相界對高能粒子具有突出的散射和減弱作用，為此發(fā)明了多界面耦合鋁鎢復合材料， 用于屏蔽干擾粒子和對器件的防護。不僅解決了以往單一高原子序數屏蔽材料的韌致輻照 損傷和超重的國際性難題，而且屏蔽效果比國際上現用材料提高了 56%，并減重45%。由 此基于PIN探頭成功開發(fā)了空間高能粒子探測裝置，4次通過資源衛(wèi)星搭載實現了空間多能 檔電子和質子的準確測量。2015年3月成功在

5、軌探測到磁暴現象，獲得實時高能電子通量 數據2.32X105 e/cm2srsec，是平靜期的5倍，為空間任務的順利執(zhí)行提供了重要保障。2、通過微小碎片與材料超高速撞擊動力學機理研究，發(fā)現微小碎片撞擊引發(fā)的電信號 變化和形成碎片云的形態(tài)與被探測碎片的尺寸、動能之間存在著特定物理關聯(lián)。由此發(fā)明 了用于空間微小碎片探測的高強度、高硬度、耐沖擊的復合材料及其制備方法，并開發(fā)出 空間微小碎片探測裝置，實現了空間微小碎片體積、速度和通量的高精度探測。相關技術 已成功通過驗證，確保了空間任務的順利執(zhí)行。3、針對航天器微小碎片撞擊難防護的國際性難題，通過系統(tǒng)的超高速撞擊試驗，發(fā)現 高強度材料與高塑性材料層狀

6、復合對入侵碎片具有突出的防護作用。通過異步軋制發(fā)明了 強塑復合材料軋制協(xié)同變形關鍵技術，開發(fā)出鈦鋁鎂等強塑復合材料。研制出具有完全自 主知識產權的空間碎片防護結構，與國外常用碎片防護技術相比，在碎片速度7km/s時， 彈道極限從4.05提高到7.28mm，防護能力提高了 79.8%。相關技術在天宮號空間實驗室上 成功應用，并被納入我國空間站關鍵部位碎片防護設計中。相關技術已在載人航天、探月工程、對地觀測等重大空間任務和國內近百家相關部門、 企業(yè)推廣應用，取得了顯著的社會經濟效益，并具有巨大的潛在社會經濟效益。申請國家 發(fā)明專利 45 項，已授權 32 項；在 Phys.Rev.Lett.、Ac

7、ta Mater.、J. Spacecraft Rockets 等期刊 發(fā)表論文200多篇，SCI收錄175篇，SCI引用超過2900次（他引2136次Science、Nat.Mater. 等論文對相關工作給予了高度的評價。三、客觀評價1、鑒定意見與評價（附件N）（1）空間抗碎片毀傷和探測材料與技術鑒定意見2006年12月31日，總裝備部電子信息基礎部在北京組織了 “空間抗碎片毀傷和探測 材料與技術”成果鑒定會，以姜景山院士為組長的鑒定委員會認為該成果提出了利用鋯合 金及其復合材料在空間抗碎片毀傷和空間碎片探測中應用的新思路，主要技術指標達到國 際領先水平。隨著我國空間體系建設的不斷深入，該成

8、果必將發(fā)揮更顯著的作用。（2）空間環(huán)境探測關鍵器件及材料鑒定意見2016年9月5日以趙連城院士、屠海令院士、周濟院士等專家組成的鑒定委員會在秦 皇島對該項目進行了驗收鑒定，鑒定委員會認為本項目發(fā)展了空間環(huán)境探測和防護新材料 與新技術，實現了重大突破和自主創(chuàng)新，該成果滿足了我國空間飛行器中的迫切需求，整 體技術達到國際先進水平，空間高能粒子屏蔽與防護技術處于國際領先水平。（3）知名學者對本項目評價國家最高科學技術獎獲得者、中國第一顆人造地球衛(wèi)星技術總負責人、探月工程總設 計師、中國工程院院士孫家棟分別于2007年8月22日、2014年8月20日對該項目進行 現場指導。孫家棟院士認為：該研究團隊在

9、空間碎片與高能粒子探測和防護關鍵材料及應 用項目研究中大膽創(chuàng)新，取得了具有國際領先水平的成果。項目發(fā)明的空間碎片和高能粒 子探測與防護關鍵材料和技術，將對載人航天、探月工程等重大空間任務的順利執(zhí)行提供 重要保障。中國探月工程副總設計師、中科院空間中心原主任、中國工程院院士姜景山分別于2008 年3月20日、2012年8月16日、2014年8月18日對該項目進行現場檢查、指導。姜景 山院士認為：項目團隊立足空間環(huán)境探測和防護這一重要的國際難題，開發(fā)了全新的探測、 防護關鍵材料與技術，實現了重大突破和自主創(chuàng)新。發(fā)展了具有獨立知識產權的探測和防 護裝置，達到國際領先水平，為解決我國航天急需和航天任務

10、執(zhí)行做出了重要貢獻。2、科技查新報告（附件N）教育部科技查新工作站對空間碎片與高能粒子探測和防護關鍵材料及應用”項目的查 新檢索。技術要點：發(fā)現顯著原子序數差異材料間的層狀界面和內部相界對高能粒子具有 突出的散射和減弱作用，為此發(fā)明了多界面耦合鋁鎢復合材料，用于屏蔽干擾粒子和對器 件的防護。發(fā)明了高強韌鋯合金和TiN-AlN-TiB2材料，并開發(fā)出空間微小碎片探測新技術， 實現了空間微小碎片體積、速度、能量和通量的高精度探測；發(fā)現高強度材料與高塑性材 料層狀復合對入侵碎片具有突出的碎化、熔化和霧化作用。通過異步軋制發(fā)明了強塑復合 材料軋制協(xié)同變形關鍵技術，開發(fā)出鈦鋁鎂等強塑復合材料。研制出具有

11、完全自主知識產 權的空間碎片防護結構，與國外常用碎片防護技術相比，在碎片速度7km/s時，彈道極限 從4.05提高到7.28mm，防護能力提高了 79.8%。報告結論：通過對檢索到的相關文獻進行 分析對比，在上述國內外檢索范圍公開發(fā)表的中外文文獻內，未見與查新課題查新點研究 內容相同的文獻報道。3、主要用戶認可意見（附件N）本項目突破了空間高能粒子和微小碎片探測與防護中的關鍵材料問題。成功設計開發(fā) 了空間高能粒子探測裝置，已用于資源衛(wèi)星1號01、02、02B、04星等多項空間探測任務 中。其中用于04星的探測裝置已在軌穩(wěn)定運行超過3年，并仍在穩(wěn)定運行中，獲得了空間 高能粒子實時數據，為多項空間

12、任務的順利完成提供了重要保證。發(fā)明了空間碎片防護新 材料與新技術，研制出具有完全自主知識產權的防護結構，實現了空間碎片的有效防護， 相關技術在天宮號上成功應用，并被納入我國空間站關鍵部位碎片防護設計中。4、論文引用與評價項目實施過程中，申請國家發(fā)明專利45項，已授權32項；在Phys.Rev.Lett.、Acta Mater.、 J. Spacecraft Rockets等期刊發(fā)表論文200多篇，SCI收錄175篇，SCI引用超過2900次（他引 2136次）。Science、Nat.Mater等論文對相關工作給予了高度的評價。四、推廣應用情況該成果在多項重大空間任務和多家相關部門、企業(yè)推廣應

13、用，其中包括：航天五院501 部是我國最具實力、最權威的空間技術及其產品的研制基地和我國空間事業(yè)發(fā)展的骨干力 量。主要從事空間開發(fā)、航天器研制、空間領域對外技術交流與合作、衛(wèi)星應用及空間技術 二次開發(fā)等領域；北京空間技術研制試驗中心是中國空間技術研究院載人航天器業(yè)務的責任 主體和業(yè)務總體單位，承擔著載人航天器領域的發(fā)展規(guī)劃、預先研究、總體設計、系統(tǒng)集成、 運營支持和載人航天器應用研究，并負責開展相關領域的國際合作；另外鷹領航空高端裝備 技術、北京天馳星科技有限公司等企業(yè)為各行業(yè)的重要企業(yè)，代表行業(yè)水平。航天五院501部：新發(fā)展的空間高能粒子防護和探測新技術，用于資源衛(wèi)星1號01、 02、02B

14、、04星等多項空間探測任務中。獲得了空間高能粒子實時數據。發(fā)明了空間碎片防 護新材料與新技術，研制出具有完全自主知識產權的防護結構，實現了空間碎片的有效防護， 相關技術在天宮號空間實驗室上成功應用，并被納入我國空間站關鍵部位碎片防護設計中。北京空間技術研制試驗中心：發(fā)明空間碎片防護新材料和新技術，高效地完成了空間站 的空間碎片防護設計任務，使得空間站全部密封艙的非失效概率達到95%，實現了預定的設 計指標，可保證空間站的長期在軌安全。鷹領航空高端裝備技術秦皇島有限公司：空間探測與防護技術推廣應用于軍、民領域， 發(fā)展了薄膜與防護技術大幅提高了軸承、滑道與鎖緊機構的使用壽命。近三年，公司大量承 擔

15、了航天與航空、風力發(fā)電等行業(yè)裝備研發(fā)、關鍵機構件服役性能評價等任務。北京天馳星科技有限公司：開展探測器材料光刻加工、電路印制、PCB抗干擾設計等工 作并將新技術推廣應用于軍民融合領域，在新材料光刻、電路印制和抗干擾方面形成了企業(yè) 的核心競爭力，創(chuàng)造了顯著的企業(yè)經濟效益。深圳前海眾原環(huán)農科技控股有限公司：利用燕山大學提供的內襯防護技術，固廢處理設 備的使用壽命、生產效率、生產安全性和產品競爭力大幅提高，獲得用戶廣泛認可，為企業(yè) 創(chuàng)造了良好的經濟效益。中鼎特金（秦皇島/深圳）股份有限公司：引進了燕山大學高性能鋯合金、鋁鈦鋯復合 板生產技術，形成了公司主打產品。在公司成立之前，本公司就與深圳市禧德弘

16、光投資股份 有限公司聯(lián)合，將其中多界面耦合鋁-基復合屏蔽材料加工技術產業(yè)化。該產品具有突出的 屏蔽性能和抗腐蝕特性，技術可靠性高，已形成穩(wěn)定的累積疊軋生產技術并大規(guī)模生產，為 企業(yè)創(chuàng)造了良好的經濟效益。五、主要知識產權證明目錄（不超過10件）知識 產權 類別知識產權具體名稱國家（地 區(qū)）授權號授權 日期證書 編號權利人發(fā)明人發(fā)明專 利有效 狀態(tài)發(fā)明專利一種鋁-鎢復合材 料及其制備方法中國ZL2012 100715 52.22014.04.161382372燕山大學劉日平，劉崇宇， 馬明臻，王強，賈 元智有效專 利發(fā)明專利一種基于碳化硅纖 維織物的填充式 Whipple防護結構中國ZL2011

17、10015055.62014.08.1327685北京空間 飛行器總 體設計部閆軍，鄭世貴，韓 增堯，單立有效專 利發(fā)明專利一種鈦/鋁/鎂三層 復合板及其制備方 法中國ZL2014 101817 46.72017.02.152379485燕山大學劉文昌，王強，馬 旻，劉日平，王國 軍，王德滿有效專 利發(fā)明專利一種高強度鋯合金 及制備方法中國ZL2015 11000330.12017.09.262637 022燕山大學劉日平，張治國， 馬明臻，張新宇， 馮志浩，夏超群， 張星，劉曙光有效專 利發(fā)明專利一種低溫制備TiN-AlN-TiB2 陶瓷 復合材料的方法中國ZL2014 106958 94.

18、02016.05.042054627燕山大學張新宇，秦家千， 薛亞楠，馬明臻， 劉日平有效專 利發(fā)明專利一種基于玄武巖纖 維織物的填充式 Whipple防護結構 及制造方法中國ZL2011 10015054.12014.08.1327213北京空間 飛行器總 體設計部閆軍，鄭世貴，韓 增堯，單立有效專 利發(fā)明專利一種降低高強度鋯 合金鍛造變形抗力 的熱加工方法中國ZL2014 1023405 4.42016.05.182078198燕山大學劉文昌，譚元標， 劉日平有效專 利發(fā)明專利微小空間碎片探測 用探測器探頭及其 傳感器制備方法中國ZL2014 105888 32.X2016.11.2322

19、98114北京空間 飛行器總 體設計部郝志華，向宏文， 王金延有效專 利發(fā)明專利基于鍵合基片的超 薄硅PIN高能粒子 探測器及制備方法中國ZL2011 104524 44.52012.06.131388299北京大學于民，董顯山，田大宇，金玉豐有效專 利發(fā)明專利一種鈦/鋁/鈦三層 復合板的熱軋復合 方法中國ZL2012 10045630.12014.03.121362 060燕山大學劉文昌，孟鑫，霍 鵬，劉日平，苑輝有效專 利姓 名 劉日平 排 名 1 技術職稱教授工作單位燕山大學完成單位燕山大學 對本項目技術創(chuàng)造性貢獻：項目總負責，組織、策劃整個項目的立項、實施和完成，組織項目的理論研究、技

20、術 攻關和產業(yè)化實施。主要負責高能粒子與微小碎片對材料的作用機制研究，提出探測和防 護關鍵材料開發(fā)的總體思路，由此發(fā)明了用于高能粒子探測器側壁屏蔽的多界面耦合鋁鎢 復合材料以及用于微小碎片探測與防護的高強度、高塑性層狀復合材料。建立了整套穩(wěn)定、 可靠的生產技術。實現了新材料在空間碎片和高能粒子探測和防護中的應用。以上工作應 用于：附件N曾獲國家科技獎勵情況：高強韌新型鋯合金設計、制備及其在空間活動構件上的應用，國家技術發(fā)明二等獎，2012，排名1姓 名張新宇排 名 2技術職稱教授工作單位燕山大學完成單位燕山大學對本項目技術創(chuàng)造性貝獻：發(fā)展了鋯合金強韌化設計理論方法和多兀復合材料的設計方法，發(fā)明

21、了高強度、高硬度、 耐沖擊的復合材料及其制備方法，建立了穩(wěn)定、可靠的生產技術。系統(tǒng)開展了材料性能優(yōu)化、 組織結構演化和微小碎片與材料超高速撞擊動力學機理研究，實現新材料在空間碎片和高能 粒子探測和防護中的應用。曾獲國家科技獎勵情況：姓 名閆軍排 名 3技術職稱研究員工作單位北京空間飛行器總體設計部完成單位北京空間飛行器總體設計部對本項目技術創(chuàng)造性貝獻：主要負責空間碎片防護研究工作，開展了航天器撞擊失效模式及防護方案研究、典型防 護結構設計及防護材料選擇研究。通過大量數值模擬和超高速撞擊實驗，設計了空間飛行器 防護結構，顯著提高了航天器安全性。曾獲國家科技獎勵情況：姓 名 向宏文 排 名 4 技

22、術職稱高級工程師工作單位北京空間飛行器總體設計部完成單位北京空間飛行器總體設計部 對本項目技術創(chuàng)造性貢獻：主要負責空間高能粒子、微小碎片探測技術以及傳感技術研究。開展了空間小型集成化 探測器設計及研制，并獲得了在軌環(huán)境數據，檢驗了航天器空間高能粒子防護結構的可靠性。 開展了微小空間碎片測量技術研究，通過地面試驗和機理研究，設計出微小碎片撞擊傳感器， 研制成功微小碎片通量測量裝置。相關技術提高了航天器在軌安全運行能力。曾獲國家科技獎勵情況:姓 名劉文昌排名5技術職稱教授工作單位燕山大學完成單位燕山大學對本項目技術創(chuàng)造性貢獻：主要負責高強度材料與高塑性材料層狀復合材料的研制工作，發(fā)明了鈦鋁鎂等多層

23、復合 板，其界面結合緊密，無明顯的顯微缺陷和脆性金屬間化合物；與等重量鋁合金板材相比， 該復合板的抗高速沖擊毀傷性能提高50%以上，應用于空間碎片防護結構。曾獲國家科技獎勵情況:姓 名于民排名6技術職稱副教授工作單位北京大學完成單位北京大學對本項目技術創(chuàng)造性貢獻：主要負責空間高能粒子探測研究。開展了超薄硅探測器的高靈敏結構和低噪聲技術、大 面積超薄結構的制備技術、超薄探測器的高可靠封裝技術、探測器結構數值仿真模擬等研究， 建立了成套的硅膜加工技術，為空間高能粒子探測器的研制奠定了基礎。曾獲國家科技獎勵情況:燕山大學劉日平主持該項目的總體設計、基礎理論和關鍵技術研究，突破了 探測器研制中的關鍵材料制約性環(huán)節(jié)，在技術思路、原理、方法上實現了重大突 破和自主創(chuàng)新。在基礎理論和關鍵技術方面，劉日平帶領空間碎片與高能粒子探測和防護關 鍵材料及應用團隊對項目的核心技術的建立做出了貢獻。其中，與張新宇，共同 發(fā)明專利一種低溫制備TiN-AlN-TiB2陶瓷復合材料的方法，發(fā)明了用于空間 微小