中科院长春应化所张洪杰:潜心研究数十载 让环保稀土染料之光绽放

 
       

  ]“我觉得搞科研就是应该用求真务实、持之以恒这种精神来勇攀高峰。如果谁都能做,那还叫啥搞科研了,谁都能做,那就简单了……搞科研这个东西就是要坚持,任何一个项目都不放弃它,无论做多长的时间。”

  “我觉得搞科研就是应该用求真务实、持之以恒这种精神来勇攀高峰。如果谁都能做,那还叫啥搞科研了,谁都能做,那就简单了搞科研这个东西就是要坚持,任何一个项目都不放弃它,无论做多长的时间。”

  在中国科学院长春应用化学研究所内,中国吉林网记者见到了我国无机化学家、中科院院士张洪杰。从少年到青年,再到进入花甲之年,世界改变了很多,但唯独没有改变的是他对科学的信仰。

  说起无毒无害重金属的绿色、环保稀土染料,毫无疑问会想到张洪杰,他和他的科研团队,让这种环保稀土染料正式进入规模化生产阶段。这其中的困难和艰辛,也只有他们自己知道。

  “这个领域我个人觉得还是比较难的,但这是一个绿色环保的好项目。就是稀土的染料,可以代替现代有毒有害的染料,市场前景非常大。”张洪杰介绍,在稀土硫化物着色剂的研发和产业化走过了一个漫长的过程。早在2001年,我们团队就开始进行稀土硫化物着色剂的研究工作,攻克了种种技术难关,打通了连续化、规模化生产工艺技术瓶颈,于2016年底在包头建成了世界首条稀土硫化物着色剂连续化、规模化隧道窑生产示范线,研制成功了稀土口红、稀土色浆、稀土色母粒等绿色环保应用产品。

  张洪杰研究员(左一)与李成宇研究员探讨交流LED应用的关键科学与技术问题(2013.5.16)

  “我认为这项技术在未来非常有意义,虽难度大但也要坚持到底做下去。”张洪杰说,搞科研的人一定要“爱上”实验室,我们习惯了每天工作到很晚,离开实验室就感到非常无聊的状态。但实际上,我们要做到把基础打牢,将来在应用上也能达到实效。

  据了解,这种新型稀土硫化物着色剂兼有无机颜料的性能稳定、耐候性好,以及有机颜料色彩鲜艳、着色力强等优点,不含有镉、铬、铅等毒重金属,属绿色环保产品。稀土着色剂可以用于油墨、皮革、塑胶、塑料、油漆、建筑等领域着色。目前全球稀土硫化物着色剂的年需求量为20万吨,产值约600亿元,但受制备工艺技术制约,市场实际供应量仅有200吨左右。鉴于全球许多国家都明确要求禁止使用含有毒重金属的有机着色剂,因此稀土硫化物着色剂的市场前景十分广阔。

  同时,新型稀土硫化物着色剂及其环保绿色规模化生产工艺项目符合国家高丰度稀土元素的均衡、高值化应用,并可满足有毒有害重金属着色剂替代需求,具有巨大社会意义和经济价值。

  心中的那份坚守让张洪杰没有放弃任何机会,踏踏实实搞研究。在2017年,张洪杰团队发明的交流LED发光材料引来关注。

  所谓植物补光灯,是指使用灯光代替太阳光来提供植物生长发育所需光源的一种灯具。该项技术利用稀土荧光粉生产低频闪交流LED产品,获得中、美、日、韩、欧盟等专利授权。而对于此项技术的应用,百姓最为熟知的莫过于交流LED植物补光灯。

  荷兰,作为目前世界上农业补光应用最多的国家,却经常可见到散发着暖色调、但又略显昏黄的高压钠灯。这种灯有着补光能量消耗大,寿命短,波长单一,并且热度极高弊端,为了改善补光灯的缺点,张洪杰团队研究发明了交流LED植物补光灯。“升级版”的交流LED植物补光灯具备能耗少、寿命长、光谱丰富并可根据不同植物需要进行调节的特点,不仅可提供光源保证生产,还能提升植物品质,减少大棚种植物农药使用量,使产品更加绿色。因此,也可被称为高效“光肥”。

  冬季的吉林省,平均气温零下11摄氏度,最低气温可达零下30多摄氏度。通过使用交流LED植物补光灯,该省首次实现了冬季产出车厘子。张洪杰说,“有了交流LED植物补光灯,在气候相对寒冷的北方种植南方甚至热带的水果已经不是难事。”

  该项目曾获得2015年中国科学院杰出科技成就奖和2016年吉林省技术发明奖一等奖。

  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。”

  张洪杰告诉记者,“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。

  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。

  所以,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。

  张洪杰研究员(右一)接待诺贝尔奖获得者Alanj.heeger教授来访(2005.8.16)

  在张洪杰的带领下,团队克服初期人力、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。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。

  “作为一个科研人员来讲,发表高水平的学术论文是重要的。但只发文章是不够的,一生至少要有一两个成果能够转化,用到国民经济和国家安全领域。”张洪杰说,比如做稀土着色剂,从2001年开始做,已经做了十六七年,我始终没有放弃这个项目,我觉得搞科研就要坚持,这一点非常重要。

  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。张洪杰说,当真正面对风洞测温这一特殊应用领域时,我们团队遇到的困难远远超出了我们的预计。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,对方对中科院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。

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