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小微球托起海洋夢——記2019中科院年度創新人物張敬杰

2020-06-04 中國科學報 陳歡歡 任芳言
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2018年“深海勇士”號出征前,張敬杰在三亞。中國科學院理化技術研究所供圖

  8000米、9000米、10000米!

  這是“萬泉”號深淵著陸器首次下潛到達的深度。隨著它的下潛,中國科學院理化技術研究所(以下簡稱理化所)研究員張敬杰的心提到了嗓子眼。

  “萬泉”號是我國首個采用全國產浮力材料的萬米深淵著陸器,張敬杰團隊正是這一材料的提供者。

  身在北京的她,因為通信滯后,比在現場更為緊張:浮力材料能否承受住萬米海底壓力?能否順利上浮?就算實驗驗證已接近完美,但誰也無法保證海試萬無一失。一旦失敗,裝備可能失聯,許多人數年的努力將付之東流……直到科考隊發來消息說浮力材料相當給力,張敬杰的心才終于落了下來。

  2017年3月23日,驕陽下的三亞港碼頭,人聲鼎沸,中國科學院深淵科考隊順利回港。在此次綜合科考中,“萬泉”號20次挺進10800米深的海底,作業時間超過90小時。這宣告著,國產萬米級浮力材料過關了!

  看到“萬泉”號在萬米深海馳騁,難以抑制的自豪感涌上張敬杰的心頭。為了這一天,她奮戰了10多年。

  白手起家

  張敬杰和導師宋廣智從上世紀90年代開始進行微米級無機非金屬球形粉體的研究,迄今已有20多年。

  回想起早期“原始”的科研條件,張敬杰印象深刻——由于沒有高溫設備,張敬杰搬來自家的煤氣罐,和老師一起手工制作了簡易噴槍燒制球形粉體。

  空心玻璃微球是一種輕質無機非金屬多功能材料,不僅密度小、導熱系數低、介電常數小,還具有機械強度高和耐腐蝕等優良性能,應用極為廣泛,大到航空航天,小到護膚品,無處不在。但是,由于其奇特的幾何形貌——微米尺度的薄壁完美空心球體技術含量極高,高性能產品被國外少數公司壟斷。

  2004年,導師退休后,張敬杰接棒擔任課題組組長,帶領科研團隊繼續進行技術研發。其間,他們成功實現了空心玻璃微球在油田開采、隔熱保溫等行業的技術轉化。

  為進一步提高空心玻璃微球的強度,2012年冬天她帶領團隊奮戰在北京通州基地,吃住在沒有暖氣的車間里,連續工作了4個月。

  “那個冬天格外寒冷,早上起床第一件事是燒一壺熱水,把冰化開,才能配溶液、做實驗……”張敬杰回憶,經過此次技術攻堅,微球的強度大大增強了。

  2014年,張敬杰又帶領團隊投入到河北廊坊中試基地的建設中。

  就這樣一步一個腳印,經過十多年的技術攻堅,理化所突破了一系列科研難題,實現了空心玻璃微球和浮力材料的量產,使得我國成為繼美國之后,第二個能提供高性能空心玻璃微球產品的國家。

  從原始創新到示范應用,張敬杰用十幾年時間走通了這條路。

  雖然經歷許多波折,但張敬杰認為:“現在回頭看,再艱辛的付出都是值得的。這一切都來源于繼承和堅持。”

  托起“深海勇士”

  2012年,我國第一臺載人深潛器“蛟龍”號下海時,固體浮力材料全部來自進口。張敬杰的夢想,是打破這種被動局面,用國產材料取而代之。

  “21世紀的海洋是大國角力的戰場。大規模開發利用海洋必須有高端海洋裝備和材料支撐,否則一切都是空談。”張敬杰表示,固體浮力材料是深潛器六大關鍵技術之一,由空心玻璃微球加上樹脂基材通過混合和熱固化形成。這種復合材料必須又輕又強,才能既提供浮力,又承受海底高壓。

  2013年,張敬杰團隊自主研制的固體浮力材料模塊在南海進行了長達155天的海試,樣品吸水率小于1%,性能達到國際先進水平。這標志著我國掌握了4500米浮力材料的關鍵核心技術,但離實現量產仍有較大距離。

  2015年,機會和挑戰同時到來。理化所接到了為我國第二臺載人深潛器“深海勇士”號提供浮力材料的任務。雖然“時間緊、任務重”,但張敬杰說:“在國家的重大需求面前,我們只有一個理念:勇于擔當,責無旁貸!這也是中國科學院人存在的意義。”

  為完成這個任務,理化所緊急調配了河北廊坊園區場地,中科院先導項目匹配了部分經費。為縮短研究周期,團隊一邊科研一邊生產,工作量巨大,失敗也是一個接一個,前期每天都在打擊中度過,望著堆成小山的廢品,張敬杰給團隊打氣:咬牙堅持,勝利就在眼前!

  終于,2016年12月,張敬杰團隊按時交付了固體浮力材料,助力“深海勇士”號國產化率達到95%,是當之無愧的自主創新成果。

  2018年8月,“深海勇士”號成功下潛到4500米的海底。“終于可以睡個安穩覺了!”得到消息后,整個團隊歡呼雀躍:中國在固體浮力材料制備上,再也不擔心受制于人。

  中國工程院院士、“蛟龍”號總設計師徐芑南評價認為,張敬杰團隊的工作“為我國深潛器系列化發展提供了強有力的支撐”。

  溫柔的堅持

  接觸過張敬杰的人往往都會用“溫柔”形容她,她的團隊成員則更正為“柔而不弱”。

  要把一種新材料從無到有研究出來并實現量產,這注定是一條艱辛的路。團隊成員嚴開祺表示,研發過程中,無論軟件還是硬件都遇到很多困難,張敬杰面對困難卻充滿信心,沒有設備,自己動手研制、改造;沒有廠房,到郊區去租;沒有測試儀器,去其他單位借用;沒有檢測平臺,自己建……

  張敬杰身上的標簽還有很多,比如“堅持”,比如“專一”。

  剛工作時,許多同事都選擇出國深造,張敬杰卻一直留在國內跟隨導師做連續性研究。她說:“關鍵核心技術是要不來、買不來的,只能靠自己。”

  在合作伙伴眼中,張敬杰是謙遜的實干家。

  “張老師說話細聲細語,完全沒有架子,但責任心很強,每次壓力試驗她都在現場,出問題時親自解決,需要調整方案時二話不說就去改,遇到阻力從來不放棄。”中國科學院深海科學與工程研究所工程師李俊告訴《中國科學報》。

  想當“第一個吃螃蟹”的人并不容易。中國科學院深海科學與工程研究所副研究員陳俊透露,“萬泉”號第一次下水前,為了保險起見,團隊曾考慮一半用進口材料、一半用國產材料,但最終的實驗結果讓他們下定決心全部使用張敬杰團隊研制的國產材料。

  “她自信,但不自負。敢于實踐,這樣才能真正找到科學實驗解決問題的關鍵。”宋廣智說。

  如今,越來越多的企業加入深潛浮力材料領域,越來越多的單位開始選用國產浮力材料,張敬杰希望在不遠的將來,我國可以形成完整的深潛裝備產業鏈。

  除了深海裝備,張敬杰認為,空心玻璃微球的下一個技術爆發點可能在能源利用、信息通信等領域,她的團隊將繼續專注于這一技術及其應用。

  能夠解決國家所需,讓祖國更加繁榮富強,張敬杰說,“這是我們科研人最大的榮耀!”

  (原載于《中國科學報》 2020-06-04 第1版 要聞)
打印 責任編輯:侯茜
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