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    为航天器安上明亮的“眼睛”

    业界
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    2023-01-05 10:54
    科技日报
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      2022年11月底,伴随着神舟十五号升空,耐辐照石英玻璃又一次踏上了太空之旅。

      乍眼一看,耐辐照石英玻璃和普通光学玻璃并没有什么分别。但在宇宙射线照射下,普通光学玻璃会变黑,而耐辐照石英玻璃依旧透明纯净,能为航天器透过重要的光信号。

      “航天器靠光信号的变化来调整运行姿态,耐辐照石英玻璃就像航天器的眼睛,确保航天器在茫茫宇宙中不会迷失方向。”中国建筑材料科学研究总院有限公司(以下简称中国建材总院)北京分公司副总经理、总工程师向在奎日前告诉科技日报记者。

      面向国家深空探测需求,老中青三代科技工作者攻坚克难三十载,研制耐辐照石英玻璃,使其“从无到有”“从有到强”,助力中国航天器遨游宇宙、迈向深空。

      解决“不可能解决”的矛盾

      1987年,航天领域相关单位找到中国建材总院,提出需要一款经宇宙射线辐照不变黑并能过滤紫外线的特殊石英玻璃。时任中国建材总院国家石英玻璃质监中心主任的顾真安,接下了这块难啃的“硬骨头”。

      “当时,耐辐照石英玻璃需要解决的是一个‘不可能解决’的矛盾。”讲起这段往事,向在奎解释说,“石英玻璃需要掺杂特定元素以加强玻璃的性能,达到滤紫外线的目的;而耐辐照又需要玻璃具有极高的纯度,尽量不要有杂质。”

      曾任顾真安副手的陈文彩如今已85岁高龄了。她回忆,当时,大家也不相信能解决这个矛盾。“但顾真安觉得,外国人能做出来,我们就一定做得出来。”

      接到任务后,顾真安和陈文彩一头钻进实验室研究所需元素性能,下“笨功夫”不断实验。

      “玻璃配方是第一步,也是技术难点。顾真安照着元素周期表,将所有相关元素在石英玻璃中的应用与变化都分析研究了一遍,最终找出了能滤紫外线、调节玻璃纯度的关键元素及配比。”陈文彩说。

      当时,顾真安的实验室光线不好,桌椅板凳都很破旧,休息的床也是由门板拼成的。他整天待在实验室里,反复研究元素的跃迁光谱、能级与吸收。记录实验数据、画着实验图表的笔记本,叠成了厚厚的一摞。

      功夫不负有心人。1993年,顾真安团队终于研制出耐辐照石英玻璃。1996年,耐辐照石英玻璃获得国家科技进步二等奖。1997年,顾真安当选中国工程院院士,也是中国石英玻璃领域首位院士。

      让玻璃“站着”变大变长

      1998年,航天相关单位再次找到中国建材总院,提出了新的材料需求——遥感卫星的窗口材料需要300毫米口径的高纯耐辐照石英玻璃。

      此前的产品难以满足这一需求,研制新的耐辐照石英玻璃势在必行。

      这又是一个前所未有的挑战。高纯耐辐照石英玻璃的基础是高纯石英玻璃,当时,我国普遍采用“卧式”合成沉积工艺制备高纯石英玻璃,口径只能做到200毫米左右,且无法满足高光学性能要求。

      科研人员大胆设想:改变工艺方式,把“卧式”变为“立式”,让玻璃“站着”变大变长!

      在行业对立式工艺持怀疑态度的情况下,顾真安与时任中国建材总院石英所(现为石英院)所长王玉芬,在上海棱光实业股份有限公司(以下简称上海棱光公司)争取到了一块“旮旯地”,带领向在奎等一批技术人员搭建起我国第一座立式沉积炉。

      向在奎回忆:“在上海棱光公司,我们只有一间实验室,没有原料自动供应系统。四氯化硅这种刺鼻味道很强烈的原料,都是我们一桶一桶提到实验室的。实验线启动后就‘不能停’,我们实行‘三班倒’,休息就在实验室外的楼道。”

      新的工艺路径,意味着多个步骤需要“从头再来”。自上而下的气流如何保持稳定流动?怎样避免玻璃产生杂点和气泡?面对问题,研究团队不停地换法子试,直到一个个技术难点被攻克。

      2001年,立式化学气相沉积工艺走到了“考验工艺稳定性”的阶段。这一年国庆节,王玉芬、向在奎等6人驻守在实验室。四氯化硅反应完后的二氧化硅颗粒,像烟雾一样,自上往下喷到高温靶材上,透亮的高纯石英玻璃一层一层往上长。

      “看着玻璃坨一点点往上长,我们都不舍得停掉实验线。一直到实在做不下去了,才关掉它。”向在奎说。

      2001年11月,喜讯传来——320毫米口径、重23公斤,第一个立式化学气相沉积工艺制备的高纯石英玻璃坨研制成功!

      步入自动化智能化快车道

      2012年,中国建材总院衢州高性能石英玻璃研发与产业化基地正式投产运营。青年一代科研人员在这里不断耕耘,耐辐照石英玻璃生产步入自动化、智能化的快车道。

      此前,耐辐照石英玻璃的生产线离不开人工操作。例如,打坨环节需要人工调控氢气、氧气和四氯化硅的剂量。如今,生产线依靠气和料的自动控制系统、智能反馈系统,实现了自动精确的剂量控制。

      “通过自动化生产线打造的耐辐照石英玻璃,口径更大,材质更加均匀。”中国建材总院石英院新材料研究所所长邵竹锋说。

      不仅如此,耐辐照石英玻璃的性能也得到了大幅跃升。邵竹锋介绍:“新一代耐辐照石英玻璃弥补了材料的微观缺陷,硅氧网络较以前更完整,强化了耐辐照性能。同时,具有强大的激光损伤阈值,拓展了深空应用场景。”

      近年来,耐辐照石英玻璃一次次飞向太空,为我国遥感卫星、载人航天、探月探火等重大工程立下汗马功劳。它就像透明纯净的眼睛,见证着我国从航天大国迈向航天强国的铿锵步伐。

      党的二十大报告指出,构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。

      展望未来,向在奎满怀信心地说:“在新一代青年科技人才的努力下,耐辐照石英玻璃将拓展特殊性能,利用绿色制造、节能环保的手段提质升效,为我国深空探测事业贡献新的力量!”(孙瑜)


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