稀土的“新”探索—记稀土功能材料基础研究与应用创新

        “高附加值、高技术含量的稀土新材料，能够实现中国稀土产业的可持续发展。”稀土功能材料基础研究与应用创新集体学术带头人张洪杰院士告诉《中国科学报》记者。 
　　该创新集体依托于中科院长春应用化学研究所（以下简称长春应化所）稀土资源利用国家重点实验室，形成以张洪杰和孟建为代表的“50后”学术带头人、以李成宇为代表的“70后”中坚力量，以宋术岩、冯婧和庞然等为代表的“80后”生力军。各成员通过学科交叉，充分发掘自身潜力，培育并形成了学科优势和特点。
　　张洪杰表示：“我们在提高稀土产品附加值的过程中，尤其注重创新思维和导向性的基础研究，它不仅仅是新技术、新产品开发的源泉，也是稀土产品从低端步入高端的核心所在。”
　　实现交流LED产业化
　　LED照明是新一代照明光源，目前其核心技术都被欧、美、日、韩等国掌握。张洪杰说：“加速我国LED科技创新，提升LED产业整体水平，掌握核心关键材料和器件知识产权，是国家的重大需求。”
　　现有的LED照明光源均使用直流电作为驱动，而市电为交流电，直流LED器件不能直接使用，在工作时必须经交、直流转换。这就会带来电能耗损高、元器件寿命短、产生热量大、电源成本高、设备占有空间大等问题。
　　目前世界各国使用的交流电频率均为50或60赫兹。由于交流电在其周期内要经历电流值从大到小和正反向的过程。因此，当使用交流电驱动LED芯片时，芯片的发光也会具有同样的周期变化过程，从而导致发光频闪。如何解决这种频闪是交流LED技术中的最大瓶颈和一个世界性难题。
　　2006年，长春应化所与四川新力光源有限公司开始6年合作，瞄准国际LED发展前沿，研发出具有自主知识产权、发光余辉寿命可控的新型稀土LED发光材料及交流LED器件。
　　创新集体成员李成宇研究员告诉记者，这里所说的“新型稀土材料”，不仅指材料组分、结构的新，更重要的是材料所表现出来的新性质与新功能，以及由此延伸出来的新技术和新用途。
　　新型稀土LED发光材料的发光余辉寿命与交流电频率匹配，实现了LED芯片不发光时发光粉仍然发光，从而弥补交流LED电流波动导致的频闪，并实现了从基础研究到产业化的跨越，使中国成为世界上唯一掌握通过稀土荧光粉生产低频闪交流LED产品的国家。
　　目前，团队研发的低频闪交流LED产品已销往美国、加拿大、墨西哥、西班牙、巴西等多个国家，该技术成果于2013年度获得澳大利亚“金袋鼠”世界创新奖。
　　改善有色合金性能
　　科研要与国家需要相结合。科研人员既要在实验室埋头苦干，坐得住冷板凳，又要了解国家和社会需要，走出实验室，在实际工作中去解决问题，学以致用。
　　创新集体成员孟健研究员已在长春应化所工作了30多年，主要从事稀土镁合金的研究与应用。他告诉记者：“研究之初，我们遇到的问题是稀土如何改善有色合金的性能？能否应用到国家安全和国民经济发展中？”
　　孟健说：“在张洪杰的带领下，我们克服初期人力、设备的不足，系统研究了稀土在镁合金中的作用机理，攻克大尺寸稀土镁合金制备、加工中的关键难题。”
　　团队先后承担了“973”、国家科技支撑计划、“863”、重点国际合作、基金委重点等30多项研究项目，突破了高强高韧稀土镁合金、耐热抗蠕变稀土镁合金、高强耐蚀稀土镁合金研发中的关键技术。
　　孟健说：“我们群策群力、多方协同、争分夺秒地完成每一次的任务，实现在航空航天、国防军工、轨道交通和3C电子产品方面的初步应用。”
　　目前，团队在稀土镁合金的研究获得授权发明专利40多项，获得了多项国家产业标准，获吉林省科学技术奖一等奖两项。
　　研制温敏发光材料
　　副研究员庞然是创新集体中的“80后”成员，他主要参与稀土温敏发光材料的研发工作，该研究利用了稀土丰富的光谱对周围环境温度的敏感这一特性。
　　他说：“这个方向的研究可以追溯到上个世纪80年代，以苏锵院士和张洪杰为首的老一辈科研工作者对稀土材料温敏现象的机理进行了深入的研究，为新材料的研发及应用奠定了坚实的理论基础。”
　　当年，长春应化所科研团队与风洞测温单位合作开展了稀土发光测温材料及其应用技术研究，根据风洞测温的特点和对材料的要求，解决了材料的发光效率、温度响应区间、响应速度和热释光干扰等问题，研发出三大系列满足不同测温区间的高灵敏度发光测温材料，打破了国外在该领域对我国材料和技术的封锁。
　　2012年，稀土发光测温材料使用单位将其成功应用于某型号实验，这是我国第一个在激波风洞内使用发光材料进行温度探测的项目，填补了我国在该领域的技术空白。
　　“当真正面对风洞测温这一特殊应用领域时，我们遇到的困难远远超出了我们的预计。”庞然说，“风洞测温环境的复杂性对温敏材料提出了极其苛刻的要求，一些我们在实验室可以忽略的材料性质，却会成为妨碍材料在风洞中使用的关键因素。”
　　他还记得，有一次某重大国防工程单位急需新的测温材料和测温技术，为保证研制进度，对方对长春应化所的材料研发进度规定了严格的时间节点。在张洪杰和李成宇等的悉心指导下，团队成员克服了一系列困难，经过一年多的反复实验，终于2011年夏天在实验室合成了第一批性能符合技术指标的发光测温材料。
　　“当我带着首批材料抵达风洞测温单位时已经是下午6点半，在车间简单吃过盒饭后，便和对方工程技术人员一起开始紧张的配制测温涂料、喷涂模型、标定工作曲线以及安装样件等工作。经过反复调整测试参数，采集到第一张高分辨率的气动热流分布图像时已经是晚上十一点半左右。”
　　“有了这张图，我今晚就可以睡个安稳觉了！”庞然至今还清晰地记得对方工程师看到数据图时激动的表情。
　　“国外能做的，我们也能做。”张洪杰希望把稀土的研究工作一件件做好，“不仅要做到不可替代，还要做到越来越强，这也是一个科学家应尽的责任。”


来源：中国稀土行业协会