吕坚院士：为什么说未来的汽车像变形金刚
出品|《新基建访谈》No.43
采访|丁广胜
整理|园园
随着新能源车的快速发展，车辆减重、提高安全性及降低成本都是发展制胜的关键，制造廉价高强塑性钢材成为重中之重。
基于对材料科学发展的现状、制造廉价高强塑性钢材的技术突破、未来材料科学的发展方向等议题，《新基建访谈》与香港城市大学先进结构材料研究中心主任、香港工程科学院院士、法国国家技术科学院院士、光华工程科技奖得主、结构纳米材料领域专家、世界新能源汽车大会科技委员会委员吕坚进行了一次深度交流。
材料是人类文明发展的基石，现在我们已经进入纳米和信息材料时代。
吕坚院士认为，中国现在缺少的是最高端的材料的制造。他说：“现在看来，有些关键材料很容易被卡脖子，中国作为一个材料使用大国，应该在绝大多数的关键材料里能够自己供给一部分来打破这些封锁。”
在谈到制造廉价高强塑性钢材时，吕坚院士表示：金属材料相对来说比较环保，而且价格较便宜。以现在的趋势来说，最主要的新能源车材料是铝和钢。铝和钢的竞争一直都是此消彼长，现在科学家做出越来越多的超高强度的钢，这些超高强度的钢可以代替铝。
TESLA最新的不锈钢车身的Cybertruck就是新能源车未来发展的趋势之一。
此外，3D打印为汽车轻量化或者结构轻量化，带来了全新的机遇，因为通过它可以进一步的减重。
从能源角度来讲，减重和减风阻是汽车节能的两大部分，吕坚院士说：“未来，我们希望把汽车做成像变形金刚一样的多稳态结构，很多关键部分都可以改变形状，随着汽车的速度改变车型，可以降低汽车的风阻。”
同时，他表示未来如何有效地利用可循环能源—太阳能、风能，甚至海洋能源，也是值得研究的课题。
在采访的最后，吕坚院士也为年轻人提出了一些建议和寄语，“从技术角度来讲，改革开放以后中国在全球是最开放的国家，机会越来越多。所以关键是要选择做自己喜欢事情，现在是年轻人大展宏图的时代，而不是躺平的时代。”
以下为专访吕坚院士的精选摘要：
问：您是先进材料方面的专家，请您宏观的讲讲目前材料科学发展的现状，以及目前学界和产业界主要的方向和瓶颈？
吕坚：材料是人类文明发展的基石，每一个时代都有不同的材料。从石器时代到青铜器时代，再到铁器时代，然后到半导体高分子材料时代，现在我们进入了纳米和信息材料时代。这些都是材料的发展对人类文明贡献的里程碑。那么现在有成千上万种材料，从总体来讲它是我们发展新的技术的最基础的东西。从现状来讲，中国已经是大部分材料消耗最多的国家。从生产角度来看，中国绝大部分材料也是生产量最大的。
那中国缺少什么呢？缺少的是最高端的材料，以前我们认为自由贸易可以让大家有很好的分工，这样的话我们就没有必要做所有的材料，但现在看来，有些关键材料很容易被卡脖子，所以，中国应该投入更大的力量和资金，把这些卡脖子的材料，最起码能制造。其实从历史上来看，中国每次把卡脖子材料制造出来，那个材料的价钱就降下来了。因为竞争对手也想做生意，只是以前他独家的时候就卖贵一点儿，这也是可以理解的，他们花了大量的时间和金钱研发，开始的时候要价高一点没有问题。但有些国家根据一些协议把你给卡了，那么这就是一个大问题，没有真正的自由贸易，所以中国作为一个材料使用大国，应该在绝大多数的关键材料里能够自己供给一部分来打破这些封锁。
问：随着新能源车的快速发展，汽车减重、提高安全性及降低成本都是发展制胜的关键，制造廉价高强塑性钢材成为重中之重，您的团队在这方面建树颇丰， 请帮我们科普一下这方面的技术突破？
吕坚：像环氧树脂这种强度比较高的高分子材料，是不能再重新使用的，这是一个比较大的问题。而铝合金、铁都是可以熔掉以后再重新炼，所以金属材料，反而相对来说比较环保，而且价格较便宜。因此，以现在的趋势来说，最主要的新能源车材料是铝和钢。前一阵子是铝合金，现在由于钢铁的价格比较便宜，而且科学家做出来越来越多的超高强度的钢，那么这些超高强度的钢可以代替铝。铝和钢的竞争一直都是此消彼长。但是总的趋势就是要发展高强高韧的钢材料或者是铝材料。
镁基材料是另外一个可选材料，但镁的强度比较低且抗腐蚀能力比较差，在解决这两个问题之前，镁只能用在内饰或者车轮等少数有限的结构里，而车体最重的部分，防撞的结构、车身等，现在总的趋势还是铝合金和钢铁。
另外，特斯拉的皮卡是用不锈钢来做的，甚至火箭都是用不锈钢做的。不锈钢的好处就是颜色—金属色，很多地方不用刷漆。一般来讲减重的话都用更轻的材料，那么钢的比重是7.8左右，但实际上不锈钢做好的话从单位重量的强度来比较是完全可以达到很多的铝材。
问：成本又要低，钢性又要强，您在实验室是怎样做到的？
吕坚：钢是一个很神奇的材料，它可以做很多有意思的成分设计，不同的设计会产生不同的效益，比如说纳米析出，或者其他更复杂的相变的结构。铝的变数相对少，所以它其实最近几年发展的并没有那么快。
现在又出了一些新的技术，包括3D打印，3D打印为汽车轻量化或者结构轻量化，带来了非常全新的技术，因为通过3D打印，设计师可以完全得到非常好的发挥，可以进一步的减重。我们最近做了一个结构，它长得就像梵蒂冈万神殿拱顶的结构，它在承重的时候会旋转，所以如果把这个放到汽车碰撞的设计结构里，那有可能可以进一步的减重。
问：电池的安全也是一个重大的课题。
吕坚：电池由于碰撞的时候挤压会导致一些安全性的问题，我们最近也做了一个设计，这个设计可以用钢代替钛合金。比如像特斯拉现在车底下有一块钛板。是因为有一次碰撞事故中，路上的石头把底盘底下给打穿了，打穿了以后就引起事故，后来就加了一块钛板。钛板的价格是很高的，我们发现钛板是有机会用钢板代替的。
问：我们发现传统汽车和新能源汽车都有碰撞实验，您觉得碰撞摧毁程度的不同主要是材料导致的吗？还是整个设计的原因？
吕坚：它是整个设计加材料，设计理论上是包括材料的，比如说有的车是用高强度钢做的，它的优势就是可以在单位重量里吸收很多的能量，它的劣势就是如果强度特别高的话，那么撞车的时候就跟撞墙一样，它的减速度特别高。实际上，保险杠后面有一些吸能结构，这个东西叫吸能盒crash box。crash box实际上是两个参数，吸能和减速度。撞车的时候看起来撞的很烂，实际上这就是吸能的过程。一个车碰撞后不烂，像墙似的，其实减速度非常高，这样的话会容易造成汽车内人员的脑伤亡，甚至脑死亡。
问：刚才提到，您有30年研究汽车领域方面的经验，在能源方向您也有一定研究。可以从制氢和电池这些角度谈一下目前主要在做哪些事情？
吕坚：首先从能源角度来讲，汽车可以分为两个部分。一部分是节能，减重就是节能的一部分。第二部分就是减风阻—因为汽车在行驶的时候有空气阻力。到现在为止汽车的形状是不变的，所以它的空气阻力是在一定速度下是优化的。一般来讲，车比耗油量一般按每90公里/小时速度下的百公里油耗来进行对比。但实际上，随着车速不同，不同车（不同的几何形状）的风阻是不一样的。未来的车我觉得是几何可变的车—不同的速度，它的整体是可变的。我们现在希望可以做成像变形金刚一样的多稳态结构。比如说未来汽车的很多关键部分都可以改变它的形状，那么随着它速度的改变，可以改变它的风阻。这个想法变得越来越有可能，因为在传统汽车里，能源比较集中—在马达那里，但是在新能源车里到处都可以放电池。这个就是新能源车的优势。这个是我们现在研究的一个技术，叫变形金刚，变形金刚可以来调节车的风阻，来进一步的降低能耗。总结来说，从耗能的角度，除了减重还可以改变它的空气动力学性能—通过变形金刚结构来做这件事情。
从电池的角度，现在全世界，特别是中国做了很多。我们香港城市大学有很多同事做不同材料，比如说锌金属加上空气，或者锂电池，锌电池，各种各类的电池。总体来讲，它的进展是缓慢的，赶不上新能源车的增长速度。因为它有制约条件，那就是价钱，高性能但价钱贵了很多，所以还是相对来说比较困难的。但是在中国大规模的制造下，电池本身的价格降了很多，降的速度也很快，但整体效率提高的并不是特别多。另外，就是燃料电池或者是氢能源，那么氢能源也是两部分，一部分是制氢的效率提高，第二部分就是释放的时候效率提高。我们国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心做了很多新型的催化剂，使得我们的产氢的效率更高。我认为未来最主要的是储氢和氢的释放。
问：我们之前看过很多您在制氢方面的一些成果和报道，在氢能源的利用这一块，目前来看，大家都认为成本居高不下，如果到达民用普及的话会怎么办？您觉得，它是需要更多的基础研究还是需要更多的应用方面去做突破？
吕坚：更多的是应用，但是都要做。比如提高电解制氢的效率，把它的价格降下来，就可以有更便宜的燃料。当然最理想的是离散性的产生氢，未来如果可以直接用太阳能制氢，那就有可能普及。还有，内蒙古、新疆有很多风能，这些风能现在并网是比较困难的问题，中间浪费了很多采集的能量，甚至是电，那么能不能把这个有效的利用起来，然后产生各种氢能源，直接变成分散式，然后再用分散式的形式消耗了，这可能也是一个未来可以研究的方向。
现在的电都是直接从电厂里出来的，中国现在发电主要还是火力发电，火力发电主要靠煤，烧煤放出来很多二氧化碳，影响气候变暖。所以如何能够有效的利用可循环能源，就是太阳能、风能，甚至海洋里的很多能源，海洋是最大的太阳能储存池，那么如果以后能够有效的利用海洋里的温差，那就是无穷无尽的能源。
问：关于氢，我们现在听到一种声音就是它虽然是需要做更多的应用的开拓，但更重要的是需要有一个诺奖级别的基础研究来进行突破，您是怎么理解？
吕坚：这个当然理论上是有可能的，因为如果发明出转换的价格低的催化剂，效率又特别高，这个是完全有可能的。这两个都是有可能突破的。还有就是储氢，现在都是用罐储存的，如果未来发明固体储氢，那体积就可以降下来。还有就是氢气的提纯的问题，化工产出的氢有一些其他的元素。
问：那您觉得未来5~10年这几种不同材料的发展，谁会逐渐的成为毫无疑问的主流，您觉得哪种更有机会？
吕坚：如果没有特殊的突破，按照现在的发展趋势，肯定是普通的电池占主流。在普通的电池里，至于是锂电池占主流还是其他的，比如说我刚才说的，锌加空气或者锂加空气，这都有可能。因为现在的生产设备的容量已经大幅度增加上去，我想未来五年还是锂电池为主。10年的预测有点太长，因为现在变化是非常大的，可以说是革命性的变化，一般都是不可以预测的，只能说按照现在的发展趋势。
问：我们看到国内的很多厂商在磷酸铁锂电池方面做一些突破。
吕坚：磷酸铁锂的话，第一，像锂电池资源受限，因为中国的锂不是很多。所以很多的进口，进口的话等于是受制于人。如果能够减重的话，就可以放更多的电池，现在是1:1，那完全在未来可能是1:2。这样就可以让电池的效率并不要求那么高，可以降低价格。
问：我们看到您在做很多关于从环境的角度、碳中和角度的工作，您从中有哪些心得？
吕坚：首先我自己做的研究，最主要的就是拓扑优化还有结构减重，我主要是做金属材料的，我们在2017年的时候就发展出来一种新类型的材料，我们叫超纳双相。这个工作就在发表在《自然》杂志的封面文章，也是中国科学家首次在结构材料领域发表在《自然》杂志的封面文章。最主要的是我们发现了一种新的结构，以前的材料一般来讲就是晶体材料或非晶材料，那么我们这种设计可以做出来超小的纳米晶和非晶材料混合，我们发现这个材料它的功能性有可能更好，功能性能力里就包括催化剂。由于我们做的这类材料本身有这方面的潜力，所以我才开始做更多的跟碳中和相关的研究，并不是追时髦。
第二就是我们2015年底也组建了国家贵金属材料工程技术研究中心，在未来的两三年里还会有更多更好的结果出来，现在我们看到初步的眉头，我们在这个领域发表论文的速度在加快。
我们作为大学主要还是做基础研究，但是大学也有社会责任，我们希望能够对社会有所贡献，像我们香港城市大学也是香港获批美国专利最多的学校，已经连续五年获得美国专利最多。这些专利，需要通过转化，变成社会的价值，对社会有贡献。未来的几年我会越来越重视这方面的工作，让我们的这些文章也好，知识产权也好，通过技术转移让一些公司来产业化，通过产业化来对社会做更大的贡献。
问：不仅在研究和应用方面，您更是教育界的专家。从科技发展，科学进步的角度，您对现在的年轻人或者年轻的研究者有哪些建议和寄语？
吕坚：现在中国或者世界处于一个很好的时代，对比我们年轻的时候机会要多很多，虽然竞争越来越大，但实际上机会越来越多。现在经常听说年轻人要躺平，其实不需要。现在因为选择多了，所以才会迷惑，以前没有选择，只能做一件事。关键就是要选择自己喜欢做的事情，做基础研究也好，应用研究也好，社会工作也好，我想最主要的就是做自己真心喜欢的工作，不一定是挣钱最多的。因为50年前每个人的选择是跟温饱有关系，现在温饱问题已经解决了，那么我希望年轻人按照自己的理想来做事情。
我想说的是，现在是非常好的时机，中国培养了越来越多的大学生，资金越来越充足，技术成分也有提高，现在是年轻人大展宏图的时代，而不该是躺平的时代。
中国自从40多年前改革开放以后，从技术角度来讲在全球是最开放的国家。再加上我们是培养理工科学生最多的国家，所以我们有能力吸收全世界最好的技术和方法，把它转换成生产力转换成财富。