薄如蝉翼的“手撕钢”-百科知识2025年23期
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《百科知识》

薄如蝉翼的“手撕钢”

2020年5月12日,习近平总书记在山西太钢不锈钢精密带钢有限公司考察时,曾拿起一卷厚度仅为0.02毫米的超薄不锈钢箔材,称赞太钢将“百炼钢做成了绕指柔”。此后,这一被形象地称为“手撕钢”的精密钢材,正式进入人们的视野。

时隔数年,这项昔日备受关注的技术不仅在中国实现了规模化量产,更在精密度上达到了全新的高度。如今,在山西太钢的自动化生产线上,厚度仅为0.015毫米的“手撕钢”已实现稳定生产,单日产量可达3吨,其产值在短短数年内便从5亿元增长至近8亿元。更重要的是,这一国产突破极大地降低了我国高端制造业的成本,不锈钢箔材曾经的进口价动辄每吨数百万元,如今总价格已被压低至三分之一左右。

从开始研发不锈钢箔材,到0.02毫米,再到0.015毫米,这每个微小的进步背后,都凝聚着无数科学家与工程师的心血,是中国钢铁工业从传统向高端转型的生动缩影,更是中国在全球钢铁制造核心领域的一次重大技术突围。

重新定义“钢铁”

在公众的原有认知中,“钢铁”一词总是与厚重、坚硬等意象联系在一起。然而,“手撕钢”的出现改变了这一传统观念,向我们展示了钢铁材料所能达到的极限轻薄。

一张标准的A4打印纸,其厚度约为0.1毫米。而太钢生产的0.015毫米“手撕钢”,其厚度仅为A4纸的七分之一左右,比人的头发丝还要纤薄数倍。然而,极致的纤薄并未牺牲它的强度——“手撕钢”表面呈现出镜面般平整的光泽,光可鉴人,薄如蝉翼,用手触摸它时却又能感受到金属特有的坚韧。这些特性,使它成为支撑现代尖端制造业不可或缺的关键材料。

山西自然博物馆展示的“手撕钢”实物,该型不锈钢精密箔材的厚度仅为0.015毫米

长期以来,这项被誉为钢铁行业“皇冠明珠”的不锈钢箔材制作技术,一直被日本、德国等少数国家的钢铁巨头所垄断。中国高端制造业所需的0.05毫米和0.03毫米的超薄精带,长期面临国际市场的高价限售;而厚度低于0.03毫米、用于航空航天和核电领域的不锈钢箔材,更是被严格禁售。能否攻克“手撕钢”自主生产技术,不仅关系到企业的生存发展,更关系到我国战略储备的生产命脉。

“擀”出比头发丝还细的钢

将一块厚度为数毫米的钢坯,最终碾压成仅有0.015毫米的箔材,其数值变化超过百倍,这并非简单的物理“擀薄”,而是一系列集冶金学、材料科学、精密机械与自动控制于一体的完整制造工艺。其核心在于对三大技术环节的精准把控。

一是精密的轧制工艺。“手撕钢”的生产,依赖于一种名为“20辊森吉米尔轧机”的精密设备。与普通轧钢机只有2根或4根轧辊不同,这种轧机拥有多达20根轧辊,层层嵌套。其中,与钢带直接接触的“工作辊”直径极小,能施加巨大的轧制压力。钢坯需要在这台轧机上经过数十次甚至上百次的反复碾压,每一次的厚度误差单位都要以微米计算,最终才能达到目标要求。通俗地讲,就是整个过程中,对钢带厚度均匀性的控制要求达到了1微米(0.001毫米)的水平——相当于头发丝直径的百分之一。任何微小的振动、温度变化或张力波动,都可能导致整卷钢带的报废。

二是纯净的材料配方。要想承受如此极端的轧制塑形而不破裂,钢材本身的化学成分与内部组织必须做到高度纯净。在普通钢材中,尺寸为10~20微米的夹杂物是允许存在的;但对于厚度仅有10~20微米的“手撕钢”而言,一个同样大小的夹杂物,就如同埋在薄饼里的一颗石子,很可能导致整片不锈钢箔材损坏。因此,“手撕钢”对内部夹杂物的尺寸要求为不能超过1微米。

为达到这种高纯净度,研发团队与高校冶金专家密切合作,通过精密的真空冶炼和多重精炼工艺,将钢水中的碳、氮、硫、磷等杂质元素的含量控制在百万分之一(ppm)级别,从而为极限轧制提供了合格的“母材”。

三是完善的表面处理。即使轧制成功,钢箔的表面也可能存在肉眼无法察觉的微小裂纹。这些微小的瑕疵,在需要反复弯折的应用场景中(如折叠屏手机铰链),会成为金属疲劳断裂的隐患点。为此,钢箔还需要经过高精度光亮退火和电解抛光的两道工序。光亮退火是在保护性气氛中对钢带进行热处理,消除轧制过程中产生的内部应力,恢复其柔韧性;而电解抛光则是利用电化学原理,对钢带表面进行“纳米级别”的削平,使其表面粗糙度低于0.1微米(即100纳米),达到光亮如镜的效果,从而消除表面缺陷,赋予“手撕钢”强大的抗疲劳性能。

“绕指柔”背后的硬核攻关

面对国外严密的技术封锁,从2016年起,山西太钢就组建了创新研发项目团队,决心向这一“卡脖子”技术难题发起冲击,并由此开启了一场艰难的自主攻关。当时,太钢的精密带钢生产线已投产多年,却始终只能生产厚度为0.1毫米以上的产品,缺乏竞争力。

​20辊森吉米尔轧机

为了突破这一困局,研发团队将目标锁定在了0.02毫米这一厚度上。技术突破过程难点重重:整个生产流程需连续经过冷轧、光亮退火、拉伸矫平、去应力、分条纵切五大工序,任何一个环节的微小失误都会导致整卷钢带报废。在轧制过程中,最常发生的事故便是“断带”。当薄如蝉翼的钢带在高速运转中突然断裂,会瞬间碎成粉末,场面如同一次小型的“爆炸”,后续的清理工作不仅耗时费力,更会延缓研发进度,给团队士气带来沉重打击。

为实现技术突破,研发团队践行了严苛的“双精度管理”理念。在设备功能精度上,他们对轧机、传感器等每一个部件都进行了细致的维护与升级。在工艺控制精度上,更是经历了无数次的失败与探索。每一次失败后,团队都会从无数工艺参数中逐一排查分析,寻找失败原因的蛛丝马迹。据统计,在研发的数年时间里,团队累计攻克了上百个设备难题,进行了近千次工艺试验,最终摸索出了一套完全自主的工艺参数。

越来越薄,越来越好,同样离不开“产、学、研、用”这一深度融合的“中国模式”。在政策支持下,北京科技大学的研究团队常年奔波于北京和太原之间,将最前沿的冶金理论转化为可供生产线应用的工艺建议;而生产一线的工程师团队则负责将这些理论和建议,在一次次的失败中,转化为最终的生产技术方案。正是这种“科学家+工程师”的无缝对接,才铸就了这片来之不易的“绕指柔”。

折叠屏手机

小钢箔撬动大制造

“手撕钢”的成功为中国多个战略性新兴产业打开了自主创新的大门。

在航空航天领域,“手撕钢”是制造柔性太阳能电池基板的理想材料。与传统的刚性太阳能帆板相比,以“手撕钢”为基底的柔性帆板,可以像卷轴一样收纳,大大节省了卫星的发射空间和重量,是未来空间站和深空探测器的关键材料。

在高端电子领域,不锈钢箔材也大放异彩。在折叠屏手机中,连接两块屏幕的铰链需要在极小的空间内承受数十万次的反复弯折考验。“手撕钢”以其超薄的厚度、超高的强度和抗疲劳性,成为制造这种核心铰链部件的不二之选。

“手撕钢”还是制造柔性电路板(FPC)和传感器的关键基材。传统的柔性电路板以铜为导体,虽然导电性更好,但是不锈钢箔材柔性电路板的高机械强度、耐磨和耐腐蚀特性,可为医疗植入设备、可穿戴设备、物联网传感器的发展提供基础元器件,现已被广泛用于5G基站的信号接收器和发射滤波器中。

在新能源领域,“手撕钢”同样扮演着关键角色。氢燃料电池由无数个单电池叠加而成,“手撕钢”则被用于制造支撑它们的金属双极板“骨架”,起到分隔氢气与氧气、传导电流和热量的作用。使用超薄的“手撕钢”替代传统的石墨板,可以将燃料电池电堆的重量降低40%以上,体积减小30%以上,极大地提升了氢燃料电池汽车的续航里程和性能。

柔性电路板

从论克进口到批量出口,从艰难攻关到不断刷新世界纪录,“手撕钢”的传奇,是中国制造业转型升级的一个生动展现。这表明,在基础材料这个领域,同样蕴藏着巨大的创新空间和升值潜力。“手撕钢”的成功,不仅是一次材料上的国产替代,更是一次技术上的全球领跑。然而,目前国产“手撕钢”的产能尚不足以满足全球高端市场日益增长的全部需求,在一些更尖端的领域,如航空发动机涡轮盘所需的超薄钛合金钢等方面,仍面临着新的待攻克难题。“手撕钢”的探索创新之路仍在继续,它熔铸的不仅是一块块薄如蝉翼的钢箔,更是一种坚韧不拔、追求极致的科学家与大国工匠精神。这份精神将激励中国的科技工作者,在从“跟跑”到“领跑”的道路上,不断跑得更快、更好。

北京科技大学的“钢铁侠”录取通知书

近年来,北京科技大学的本科及研究生录取通知书,因其独特的“钢铁”材质而备受社会XIA0XlUa0WaE7ZwUk6ZposUzMqEOuYI9BH2qpY8c5BQ=关注。这不仅是一份入学的凭证,更成为了展示中国前沿钢铁科技成果的生动载体。

2023年与2024年:“5G钢”的精密之美

自2023年起,北京科技大学的本科录取通知书的主体材质便开始采用“5G钢”制作。为保证挺括,通知书主体材质未采用最薄的钢箔,但其厚度仍仅为0.07毫米,已经薄于一张普通A4纸。“5G钢”并非特指某一种钢号,而是对一类用于5G通信设备的高品质超薄不锈钢的统称。2023年的录取通知书以铁锈红为主色调,选取学校主楼为基础背景,首次将这份“钢的坚韧”与“纸的纤柔”融为一体。2024年的通知书延续了2023年通知书的核心材质与铁绣红主色调,并加入了校歌《北科华章》的音乐旋律(打开通知书时可听见),进一步丰富了其文化内涵。

2025年:“绿钢”的低碳宣言

​北京科技大学2024年“5G钢”录取通知书(北京科技大学招生办供图)

到了2025年,研究生录取通知书的材质再次升级,引入了“绿钢”这一更具环保意义的材质。与“5G钢”强调“精密”不同,“绿钢”的核心在于其“绿色低碳”的生产流程。通知书封皮上的圆形校徽钢材,正是由位于河北省张家口市的全球首座“氢基竖炉-近零碳排电弧炉”冶炼而成。这项技术是钢铁工业由传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变的里程碑。在氢基竖炉中,铁矿石中的氧是被氢气而非一氧化碳还原的,其主要产物是水,从而在源头上彻底减少了二氧化碳的排放。这枚小小的“绿钢”校徽,不仅是一份独特的入学纪念品,更是一份关于未来钢铁工业可持续绿色发展的生动宣言。

(作者单位:北京科技大学)

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