“高附加值、高技術(shù)含量的稀土新材料，能夠?qū)崿F(xiàn)中國(guó)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(guó)科學(xué)報(bào)》記者。

該創(chuàng)新集體依托于中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)春應(yīng)化所)稀土資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jiān)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(guò)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(shì)和特點(diǎn)。

張洪杰表示：“我們?cè)谔岣呦⊥廉a(chǎn)品附加值的過(guò)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(kāi)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(shí)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(guó)掌握。張洪杰說(shuō)：“加速我國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)，是國(guó)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(dòng)，而市電為交流電，直流LED器件不能直接使用，在工作時(shí)必須經(jīng)交、直流轉(zhuǎn)換。這就會(huì)帶來(lái)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(wèn)題。

目前世界各國(guó)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(guò)程。因此，當(dāng)使用交流電驅(qū)動(dòng)LED芯片時(shí)，芯片的發(fā)光也會(huì)具有同樣的周期變化過(guò)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(gè)世界性難題。

2006年，長(zhǎng)春應(yīng)化所與四川新力光源有限公司開(kāi)始6年合作，瞄準(zhǔn)國(guó)際LED發(fā)展前沿，研發(fā)出具有自主知識(shí)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(shuō)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(lái)的新性質(zhì)與新功能，以及由此延伸出來(lái)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(shí)現(xiàn)了LED芯片不發(fā)光時(shí)發(fā)光粉仍然發(fā)光，從而彌補(bǔ)交流LED電流波動(dòng)導(dǎo)致的頻閃，并實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的跨越，使中國(guó)成為世界上唯一掌握通過(guò)稀土熒光粉生產(chǎn)低頻閃交流LED產(chǎn)品的國(guó)家。

目前，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的低頻閃交流LED產(chǎn)品已銷(xiāo)往美國(guó)、加拿大、墨西哥、西班牙、巴西等多個(gè)國(guó)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(jiǎng)。

改善有色合金性能

科研要與國(guó)家需要相結(jié)合?？蒲腥藛T既要在實(shí)驗(yàn)室埋頭苦干，坐得住冷板凳，又要了解國(guó)家和社會(huì)需要，走出實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)際工作中去解決問(wèn)題，學(xué)以致用。

創(chuàng)新集體成員孟健研究員已在長(zhǎng)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(wèn)題是稀土如何改善有色合金的性能?能否應(yīng)用到國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中?”

孟健說(shuō)：“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(jī)理，攻克大尺寸稀土鎂合金制備、加工中的關(guān)鍵難題。”

團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)了“973”、國(guó)家科技支撐計(jì)劃、“863”、重點(diǎn)國(guó)際合作、基金委重點(diǎn)等30多項(xiàng)研究項(xiàng)目，突破了高強(qiáng)高韌稀土鎂合金、耐熱抗蠕變稀土鎂合金、高強(qiáng)耐蝕稀土鎂合金研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)。

孟健說(shuō)：“我們?nèi)翰呷毫?、多方協(xié)同、爭(zhēng)分奪秒地完成每一次的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)在航空航天、國(guó)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(tuán)隊(duì)在稀土鎂合金的研究獲得授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利40多項(xiàng)，獲得了多項(xiàng)國(guó)家產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，獲吉林省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)。

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(duì)周?chē)h(huán)境溫度的敏感這一特性。

他說(shuō)：“這個(gè)方向的研究可以追溯到上個(gè)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(duì)稀土材料溫敏現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，為新材料的研發(fā)及應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。”

當(dāng)年，長(zhǎng)春應(yīng)化所科研團(tuán)隊(duì)與風(fēng)洞測(cè)溫單位合作開(kāi)展了稀土發(fā)光測(cè)溫材料及其應(yīng)用技術(shù)研究，根據(jù)風(fēng)洞測(cè)溫的特點(diǎn)和對(duì)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(wèn)題，研發(fā)出三大系列滿(mǎn)足不同測(cè)溫區(qū)間的高靈敏度發(fā)光測(cè)溫材料，打破了國(guó)外在該領(lǐng)域?qū)ξ覈?guó)材料和技術(shù)的封鎖。

2012年，稀土發(fā)光測(cè)溫材料使用單位將其成功應(yīng)用于某型號(hào)實(shí)驗(yàn)，這是我國(guó)第一個(gè)在激波風(fēng)洞內(nèi)使用發(fā)光材料進(jìn)行溫度探測(cè)的項(xiàng)目，填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)空白。

“當(dāng)真正面對(duì)風(fēng)洞測(cè)溫這一特殊應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)，我們遇到的困難遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的預(yù)計(jì)。”龐然說(shuō)，“風(fēng)洞測(cè)溫環(huán)境的復(fù)雜性對(duì)溫敏材料提出了極其苛刻的要求，一些我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室可以忽略的材料性質(zhì)，卻會(huì)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(guó)防工程單位急需新的測(cè)溫材料和測(cè)溫技術(shù)，為保證研制進(jìn)度，對(duì)方對(duì)長(zhǎng)春應(yīng)化所的材料研發(fā)進(jìn)度規(guī)定了嚴(yán)格的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。在張洪杰和李成宇等的悉心指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)成員克服了一系列困難，經(jīng)過(guò)一年多的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于2011年夏天在實(shí)驗(yàn)室合成了第一批性能符合技術(shù)指標(biāo)的發(fā)光測(cè)溫材料。

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

“有了這張圖，我今晚就可以睡個(gè)安穩(wěn)覺(jué)了!”龐然至今還清晰地記得對(duì)方工程師看到數(shù)據(jù)圖時(shí)激動(dòng)的表情。

“國(guó)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(lái)越強(qiáng)，這也是一個(gè)科學(xué)家應(yīng)盡的責(zé)任。”