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長春應(yīng)化所稀土功能材料基礎(chǔ)研究與應(yīng)用的新探索


來源:中國科學(xué)報

[導(dǎo)讀]  該創(chuàng)新集體依托于中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所張洪杰表示:“我們在提高稀土產(chǎn)品附加值的過程中,尤其注重創(chuàng)新思維和導(dǎo)向性的基礎(chǔ)研究,它不僅僅是新技術(shù)、新產(chǎn)品開發(fā)的源泉,也是稀土產(chǎn)品從低端步入高端的核心所在。”

中國粉體網(wǎng)訊  “高附加值、高技術(shù)含量的稀土新材料,能夠?qū)崿F(xiàn)中國稀土產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。”稀土功能材料基礎(chǔ)研究與應(yīng)用創(chuàng)新集體學(xué)術(shù)帶頭人張洪杰院士告訴《中國科學(xué)報》記者。

  該創(chuàng)新集體依托于中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所(以下簡稱長春應(yīng)化所)稀土資源利用國家重點實驗室,形成以張洪杰和孟建為代表的“50后”學(xué)術(shù)帶頭人、以李成宇為代表的“70后”中堅力量,以宋術(shù)巖、馮婧和龐然等為代表的“80后”生力軍。各成員通過學(xué)科交叉,充分發(fā)掘自身潛力,培育并形成了學(xué)科優(yōu)勢和特點。

  張洪杰表示:“我們在提高稀土產(chǎn)品附加值的過程中,尤其注重創(chuàng)新思維和導(dǎo)向性的基礎(chǔ)研究,它不僅僅是新技術(shù)、新產(chǎn)品開發(fā)的源泉,也是稀土產(chǎn)品從低端步入高端的核心所在。”

  實現(xiàn)交流LED產(chǎn)業(yè)化

  LED照明是新一代照明光源,目前其核心技術(shù)都被歐、美、日、韓等國掌握。張洪杰說:“加速我國LED科技創(chuàng)新,提升LED產(chǎn)業(yè)整體水平,掌握核心關(guān)鍵材料和器件知識產(chǎn)權(quán),是國家的重大需求。”

  現(xiàn)有的LED照明光源均使用直流電作為驅(qū)動,而市電為交流電,直流LED器件不能直接使用,在工作時必須經(jīng)交、直流轉(zhuǎn)換。這就會帶來電能耗損高、元器件壽命短、產(chǎn)生熱量大、電源成本高、設(shè)備占有空間大等問題。

  目前世界各國使用的交流電頻率均為50或60赫茲。由于交流電在其周期內(nèi)要經(jīng)歷電流值從大到小和正反向的過程。因此,當(dāng)使用交流電驅(qū)動LED芯片時,芯片的發(fā)光也會具有同樣的周期變化過程,從而導(dǎo)致發(fā)光頻閃。如何解決這種頻閃是交流LED技術(shù)中的最大瓶頸和一個世界性難題。

  2006年,長春應(yīng)化所與四川新力光源有限公司開始6年合作,瞄準(zhǔn)國際LED發(fā)展前沿,研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、發(fā)光余輝壽命可控的新型稀土LED發(fā)光材料及交流LED器件。

  創(chuàng)新集體成員李成宇研究員告訴記者,這里所說的“新型稀土材料”,不僅指材料組分、結(jié)構(gòu)的新,更重要的是材料所表現(xiàn)出來的新性質(zhì)與新功能,以及由此延伸出來的新技術(shù)和新用途。

  新型稀土LED發(fā)光材料的發(fā)光余輝壽命與交流電頻率匹配,實現(xiàn)了LED芯片不發(fā)光時發(fā)光粉仍然發(fā)光,從而彌補交流LED電流波動導(dǎo)致的頻閃,并實現(xiàn)了從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的跨越,使中國成為世界上唯一掌握通過稀土熒光粉生產(chǎn)低頻閃交流LED產(chǎn)品的國家。

  目前,團隊研發(fā)的低頻閃交流LED產(chǎn)品已銷往美國、加拿大、墨西哥、西班牙、巴西等多個國家,該技術(shù)成果于2013年度獲得澳大利亞“金袋鼠”世界創(chuàng)新獎。

  改善有色合金性能

  科研要與國家需要相結(jié)合。科研人員既要在實驗室埋頭苦干,坐得住冷板凳,又要了解國家和社會需要,走出實驗室,在實際工作中去解決問題,學(xué)以致用。

  創(chuàng)新集體成員孟健研究員已在長春應(yīng)化所工作了30多年,主要從事稀土鎂合金的研究與應(yīng)用。他告訴記者:“研究之初,我們遇到的問題是稀土如何改善有色合金的性能?能否應(yīng)用到國家安全和國民經(jīng)濟發(fā)展中?”

  孟健說:“在張洪杰的帶領(lǐng)下,我們克服初期人力、設(shè)備的不足,系統(tǒng)研究了稀土在鎂合金中的作用機理,攻克大尺寸稀土鎂合金制備、加工中的關(guān)鍵難題。”

  團隊先后承擔(dān)了“973”、國家科技支撐計劃、“863”、重點國際合作、基金委重點等30多項研究項目,突破了高強高韌稀土鎂合金、耐熱抗蠕變稀土鎂合金、高強耐蝕稀土鎂合金研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)。

  孟健說:“我們?nèi)翰呷毫Α⒍喾絽f(xié)同、爭分奪秒地完成每一次的任務(wù),實現(xiàn)在航空航天、國防軍工、軌道交通和3C電子產(chǎn)品方面的初步應(yīng)用。”

  目前,團隊在稀土鎂合金的研究獲得授權(quán)發(fā)明專利40多項,獲得了多項國家產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn),獲吉林省科學(xué)技術(shù)獎一等獎兩項。

  研制溫敏發(fā)光材料

  副研究員龐然是創(chuàng)新集體中的“80后”成員,他主要參與稀土溫敏發(fā)光材料的研發(fā)工作,該研究利用了稀土豐富的光譜對周圍環(huán)境溫度的敏感這一特性。

  他說:“這個方向的研究可以追溯到上個世紀(jì)80年代,以蘇鏘院士和張洪杰為首的老一輩科研工作者對稀土材料溫敏現(xiàn)象的機理進行了深入的研究,為新材料的研發(fā)及應(yīng)用奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。”

  當(dāng)年,長春應(yīng)化所科研團隊與風(fēng)洞測溫單位合作開展了稀土發(fā)光測溫材料及其應(yīng)用技術(shù)研究,根據(jù)風(fēng)洞測溫的特點和對材料的要求,解決了材料的發(fā)光效率、溫度響應(yīng)區(qū)間、響應(yīng)速度和熱釋光干擾等問題,研發(fā)出三大系列滿足不同測溫區(qū)間的高靈敏度發(fā)光測溫材料,打破了國外在該領(lǐng)域?qū)ξ覈牧虾图夹g(shù)的封鎖。

  2012年,稀土發(fā)光測溫材料使用單位將其成功應(yīng)用于某型號實驗,這是我國第一個在激波風(fēng)洞內(nèi)使用發(fā)光材料進行溫度探測的項目,填補了我國在該領(lǐng)域的技術(shù)空白。

  “當(dāng)真正面對風(fēng)洞測溫這一特殊應(yīng)用領(lǐng)域時,我們遇到的困難遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的預(yù)計。”龐然說,“風(fēng)洞測溫環(huán)境的復(fù)雜性對溫敏材料提出了極其苛刻的要求,一些我們在實驗室可以忽略的材料性質(zhì),卻會成為妨礙材料在風(fēng)洞中使用的關(guān)鍵因素。”

  他還記得,有一次某重大國防工程單位急需新的測溫材料和測溫技術(shù),為保證研制進度,對方對長春應(yīng)化所的材料研發(fā)進度規(guī)定了嚴(yán)格的時間節(jié)點。在張洪杰和李成宇等的悉心指導(dǎo)下,團隊成員克服了一系列困難,經(jīng)過一年多的反復(fù)實驗,終于2011年夏天在實驗室合成了第一批性能符合技術(shù)指標(biāo)的發(fā)光測溫材料。

  “當(dāng)我?guī)е着牧系诌_(dá)風(fēng)洞測溫單位時已經(jīng)是下午6點半,在車間簡單吃過盒飯后,便和對方工程技術(shù)人員一起開始緊張的配制測溫涂料、噴涂模型、標(biāo)定工作曲線以及安裝樣件等工作。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整測試參數(shù),采集到第一張高分辨率的氣動熱流分布圖像時已經(jīng)是晚上十一點半左右。”

  “有了這張圖,我今晚就可以睡個安穩(wěn)覺了!”龐然至今還清晰地記得對方工程師看到數(shù)據(jù)圖時激動的表情。

  “國外能做的,我們也能做。”張洪杰希望把稀土的研究工作一件件做好,“不僅要做到不可替代,還要做到越來越強,這也是一個科學(xué)家應(yīng)盡的責(zé)任。”

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