前言

超純鐵堪稱現(xiàn)代高端工業(yè)的“隱形基石”，其純度突破99.999%大關(guān)，被精密應(yīng)用于集成電路、航空航天推進系統(tǒng)、先進核反應(yīng)堆核心構(gòu)件等尖端領(lǐng)域。曾幾何時，這種材料單價遠超黃金，長期由美國與日本少數(shù)企業(yè)嚴密掌控，形成高壁壘、高溢價、高依賴的三重封鎖格局。

2024年，中國實現(xiàn)歷史性躍升——上海大學(xué)聯(lián)合河北龍鳳山鑄業(yè)攻克5N2級（即99.9992%）超純鐵全套制備工藝，并同步建成穩(wěn)定量產(chǎn)產(chǎn)線，標志著我國在該戰(zhàn)略材料領(lǐng)域徹底擺脫進口桎梏，完成從“卡脖子”到“握拳頭”的根本性轉(zhuǎn)變。

美日業(yè)界最不愿直面的局面已然成真！中國不僅打破百年技術(shù)壟斷，更以規(guī)?；窃炷芰Γ瑢⑽羧者b不可及的超純鐵推向普惠化供應(yīng)新階段！

美日的百年壟斷

在大眾認知中，鐵是再尋常不過的基礎(chǔ)金屬；可一旦將其雜質(zhì)含量壓縮至原子級水平，它的物理特性、工程價值與戰(zhàn)略地位便發(fā)生顛覆性重構(gòu)。

日常所見的鋼鐵制品，普遍含有碳、硅、錳、硫、磷等多種痕量元素，這些成分雖賦予材料一定強度，卻也導(dǎo)致延展性下降、耐蝕性薄弱、熱穩(wěn)定性不足等問題，在微納尺度制造場景中成為致命缺陷。

唯有當(dāng)鐵中非鐵元素總和低于十萬分之一，即純度穩(wěn)定達99.999%及以上時，才能被正式定義為“超純鐵”，其電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)均趨近理論極限值。

這類材料已成為支撐前沿科技演進的核心載體。

以半導(dǎo)體光刻靶材為例，超純鐵作為濺射鍍膜的關(guān)鍵原料，表面不允許存在任何納米級顆粒或異質(zhì)原子團簇——哪怕單個氧原子附著，也可能引發(fā)晶圓層間短路，致使整片芯片報廢。

再如航空發(fā)動機單晶渦輪葉片基體合金、第四代核裂變堆包殼材料、高能粒子加速器磁軛組件等極端工況裝備，均需依托超純鐵提供的超高純凈度母材，確保材料在高溫高壓強輻射環(huán)境下不發(fā)生相變失穩(wěn)或輻照脆化。

倘若缺失這一底層材料支撐，全球新一代信息技術(shù)、空天探索與清潔能源體系都將面臨系統(tǒng)性發(fā)展遲滯。

長期以來，全球超純鐵的研發(fā)權(quán)、標準制定權(quán)與量產(chǎn)主導(dǎo)權(quán)高度集中于美日兩國。

美國阿姆科公司（現(xiàn)屬AK Steel）早在1918年即啟動超高純度鐵冶金研究，并于1930年代確立首套工業(yè)化5N級鐵純度檢測規(guī)范，由此奠定其在全球特種金屬領(lǐng)域的權(quán)威話語權(quán)。

日本昭和電工自1960年代起持續(xù)投入真空熔煉技術(shù)研發(fā)，東邦鋅業(yè)則深耕區(qū)熔提純工藝數(shù)十年，二者協(xié)同推動6N（99.9999%）級超純鐵實驗室樣品問世，構(gòu)筑起難以逾越的技術(shù)護城河。

由于超純鐵制備涉及超凈環(huán)境控制、多場耦合熱力學(xué)調(diào)控、痕量雜質(zhì)在線溯源等多項尖端工程難題，國際產(chǎn)能長期處于極低水平。

這使得中國下游高端制造企業(yè)常年面臨“買不到、買不起、不敢多買”的三重困境：采購周期動輒半年以上，單噸報價高達480萬元人民幣，且合同中隱含嚴苛出口管制條款。

尤其在半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化進程中，靶材用超純鐵斷供風(fēng)險一度迫使多家頭部廠商放緩28nm以下制程設(shè)備驗證進度，嚴重拖累產(chǎn)業(yè)鏈自主化進程。

中國超純鐵技術(shù)的突破

面對這一關(guān)鍵材料受制于人的嚴峻現(xiàn)實，中國科研力量錨定“源頭替代”目標，展開全鏈條攻堅。

歷經(jīng)十余年基礎(chǔ)研究沉淀與工程化試錯，上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高性能鋼鐵材料團隊攜手河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司，于2023年底取得決定性成果，2024年初實現(xiàn)全流程貫通驗證，正式宣告5N2級超純鐵自主可控時代開啟。

傳統(tǒng)超純鐵制備路徑普遍受限于“雜質(zhì)反彈效應(yīng)”——即常規(guī)精煉手段在去除某類雜質(zhì)的同時，極易引入新的污染源，導(dǎo)致純度提升遭遇平臺期。

鐵元素天然具有強還原性與高反應(yīng)活性，在冶煉過程中極易與爐襯、氣氛、坩堝發(fā)生界面反應(yīng)，生成FeO、FeS、Fe?P等穩(wěn)定化合物，使殘余雜質(zhì)以固溶體或彌散析出相形式頑固留存。

即便采用當(dāng)前最先進的雙真空感應(yīng)熔煉+電子束重熔組合工藝，工業(yè)級成品純度仍難穩(wěn)定突破99.995%，距5N2指標尚存顯著差距。

該瓶頸如同一道無形高墻，橫亙在全球所有試圖突圍的科研團隊面前。

上海大學(xué)團隊另辟蹊徑，構(gòu)建起一套原創(chuàng)性“電化學(xué)預(yù)富集—真空梯度凈化—區(qū)熔定向排雜”三級提純體系。

第一階段采用自主研發(fā)的酸性氯化物熔鹽電解體系，在恒流密度1.2A/cm2條件下實現(xiàn)鐵離子定向沉積，獲得初始純度達99.99%的陰極鐵坯，有效規(guī)避傳統(tǒng)火法冶金帶來的氧化夾雜問題。

第二階段將電解坯料置于10?3Pa級真空環(huán)境中進行感應(yīng)加熱熔煉，通過動態(tài)控壓與脈沖式氣體吹掃，使溶解態(tài)氫、氮、氧等輕質(zhì)雜質(zhì)逸出率提升至99.97%。

第三階段啟用國內(nèi)首臺套超高真空垂直區(qū)熔裝置（極限真空10??Pa，溫控精度±0.3℃），利用雜質(zhì)元素在固液兩相中分配系數(shù)差異，通過0.18mm/s勻速移動熔區(qū)，驅(qū)動殘余硫、磷、銅、鎳等雜質(zhì)向錠尾富集，最終切除端部5%后，主體段純度穩(wěn)定達到99.9992%。

整套工藝全程無接觸式傳輸、全密閉惰性氣體保護、毫秒級雜質(zhì)譜實時監(jiān)控，真正實現(xiàn)了從原子尺度對材料純凈度的精準駕馭。

通過上述三大核心技術(shù)模塊有機集成，項目組成功制備出符合SEMI F57國際標準的5N2級超純鐵錠，并通過國家鋼鐵材料測試中心全項認證。

該成果不僅刷新國內(nèi)超純金屬制備紀錄，更在熱力學(xué)模型構(gòu)建、雜質(zhì)遷移動力學(xué)解析、真空冶金裝備自主化等維度形成系列原創(chuàng)專利群，為后續(xù)6N級攻關(guān)積累堅實理論與技術(shù)儲備。

超純鐵改變?nèi)虍a(chǎn)業(yè)格局

技術(shù)突破只是起點，產(chǎn)業(yè)化落地才是決勝關(guān)鍵。

依托龍鳳山鑄業(yè)已建成的千噸級高純生鐵智能工廠，雙方共建5N級超純鐵專用產(chǎn)線，集成全自動電解槽組、雙室真空感應(yīng)熔煉爐、六工位區(qū)熔提純平臺及AI視覺缺陷識別系統(tǒng)，形成閉環(huán)式智能制造范式。

2024年第三季度，年產(chǎn)120噸級超純鐵示范線正式投產(chǎn)，首批產(chǎn)品已交付中芯國際、中國航發(fā)北京航空材料研究院、中科院近代物理研究所等十余家重點單位，用戶反饋良品率達99.4%，關(guān)鍵參數(shù)全面優(yōu)于進口同類產(chǎn)品。

隨著二期擴產(chǎn)計劃啟動，預(yù)計2025年產(chǎn)能將躍升至500噸/年，屆時全球超純鐵供應(yīng)結(jié)構(gòu)將迎來結(jié)構(gòu)性重塑。

當(dāng)前國際市場中，美日供應(yīng)商主導(dǎo)著全球87%以上的5N級以上超純鐵出貨量，終端均價維持在420~460萬元/噸區(qū)間，且實行嚴格的最終用戶審查與用途限制。

中國實現(xiàn)規(guī)模化供應(yīng)后，首批商業(yè)化報價已降至298萬元/噸，降幅達28.6%，且支持定制化粒度與形態(tài)交付。

價格優(yōu)勢疊加響應(yīng)速度提升（交貨周期由180天壓縮至25個工作日）、服務(wù)響應(yīng)本地化等綜合競爭力，正加速撬動全球高端材料采購版圖重構(gòu)。

國內(nèi)半導(dǎo)體靶材廠商采購成本預(yù)計下降35%以上，航空發(fā)動機配套企業(yè)材料合格率有望提升至99.99%，軍工裝備研制周期平均縮短4.2個月。

尤為關(guān)鍵的是，這項突破對國家戰(zhàn)略安全構(gòu)成實質(zhì)性加固。

超純鐵是第四代核電快堆主泵葉輪、高超音速飛行器熱防護結(jié)構(gòu)、量子計算稀釋制冷機核心屏蔽體等國之重器不可或缺的功能基元材料。

過去因進口渠道單一，某型艦載雷達用磁控管靶材曾因海外供應(yīng)商臨時調(diào)整配額而延誤整機聯(lián)調(diào)三個月；某型號空間站姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)亦因超純鐵批次性能波動導(dǎo)致地面試驗反復(fù)失敗。

如今，從原料冶煉、中間品加工到終端應(yīng)用驗證，我國已建立起覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的自主保障能力，徹底消除外部斷供引發(fā)的技術(shù)鏈斷裂風(fēng)險。

這不僅是材料科學(xué)的重大勝利，更是大國工業(yè)體系韌性與抗壓能力的集中體現(xiàn)。

放眼全球市場，中國超純鐵智造體系正以“技術(shù)+規(guī)模+成本”三維優(yōu)勢重塑競爭規(guī)則，未來五年內(nèi)有望占據(jù)全球40%以上市場份額，推動超純金屬定價權(quán)由單極主導(dǎo)轉(zhuǎn)向多元博弈新格局。

結(jié)語

中國5N2級超純鐵的成功研制與產(chǎn)業(yè)化，絕非單一技術(shù)點的突破，而是基礎(chǔ)研究深度、工程轉(zhuǎn)化效率、產(chǎn)業(yè)協(xié)同強度與國家戰(zhàn)略定力四重維度共振的結(jié)果。

它見證了我國從跟蹤模仿到并跑領(lǐng)跑的科技躍遷軌跡，印證了新型舉國體制在破解“卡脖子”難題上的強大效能，更彰顯出中國制造向中國智造、中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)型升級的堅定步伐。

當(dāng)超純鐵不再被鎖在實驗室保險柜中，而是源源不斷地流入國產(chǎn)光刻機鍍膜腔、裝配進長征火箭發(fā)動機、嵌入北斗衛(wèi)星原子鐘基座之時，一個更加自主、更具韌性、更富創(chuàng)新活力的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)生態(tài)正在加速成型。

參考信源：

【盛世華誕 奮進鋼鐵】突破！神通廣大的高超純鐵-中國鋼鐵新聞網(wǎng)

材料學(xué)院高性能鋼鐵材料團隊成功制備出5N級超純鐵-上海大學(xué)新聞網(wǎng)

重大突破！我國5N級超純鐵制備技術(shù)正式發(fā)布