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2022年11月底，伴隨著神舟十五號(hào)升空，耐輻照石英玻璃又一次踏上了太空之旅。

乍眼一看，耐輻照石英玻璃和普通光學(xué)玻璃并沒(méi)有什么分別。但在宇宙射線照射下，普通光學(xué)玻璃會(huì)變黑，而耐輻照石英玻璃依舊透明純凈，能為航天器透過(guò)重要的光信號(hào)。

(資料圖片)

“航天器靠光信號(hào)的變化來(lái)調(diào)整運(yùn)行姿態(tài)，耐輻照石英玻璃就像航天器的眼睛，確保航天器在茫茫宇宙中不會(huì)迷失方向。”中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)建材總院）北京分公司副總經(jīng)理、總工程師向在奎日前告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

面向國(guó)家深空探測(cè)需求，老中青三代科技工作者攻堅(jiān)克難三十載，研制耐輻照石英玻璃，使其“從無(wú)到有”“從有到強(qiáng)”，助力中國(guó)航天器遨游宇宙、邁向深空。

解決“不可能解決”的矛盾

1987年，航天領(lǐng)域相關(guān)單位找到中國(guó)建材總院，提出需要一款經(jīng)宇宙射線輻照不變黑并能過(guò)濾紫外線的特殊石英玻璃。時(shí)任中國(guó)建材總院國(guó)家石英玻璃質(zhì)監(jiān)中心主任的顧真安，接下了這塊難啃的“硬骨頭”。

“當(dāng)時(shí)，耐輻照石英玻璃需要解決的是一個(gè)‘不可能解決’的矛盾。”講起這段往事，向在奎解釋說(shuō)，“石英玻璃需要摻雜特定元素以加強(qiáng)玻璃的性能，達(dá)到濾紫外線的目的；而耐輻照又需要玻璃具有極高的純度，盡量不要有雜質(zhì)。”

曾任顧真安副手的陳文彩如今已85歲高齡了。她回憶，當(dāng)時(shí)，大家也不相信能解決這個(gè)矛盾。“但顧真安覺(jué)得，外國(guó)人能做出來(lái)，我們就一定做得出來(lái)。”

接到任務(wù)后，顧真安和陳文彩一頭鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研究所需元素性能，下“笨功夫”不斷實(shí)驗(yàn)。

“玻璃配方是第一步，也是技術(shù)難點(diǎn)。顧真安照著元素周期表，將所有相關(guān)元素在石英玻璃中的應(yīng)用與變化都分析研究了一遍，最終找出了能濾紫外線、調(diào)節(jié)玻璃純度的關(guān)鍵元素及配比。”陳文彩說(shuō)。

當(dāng)時(shí)，顧真安的實(shí)驗(yàn)室光線不好，桌椅板凳都很破舊，休息的床也是由門板拼成的。他整天待在實(shí)驗(yàn)室里，反復(fù)研究元素的躍遷光譜、能級(jí)與吸收。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、畫著實(shí)驗(yàn)圖表的筆記本，疊成了厚厚的一摞。

功夫不負(fù)有心人。1993年，顧真安團(tuán)隊(duì)終于研制出耐輻照石英玻璃。1996年，耐輻照石英玻璃獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。1997年，顧真安當(dāng)選中國(guó)工程院院士，也是中國(guó)石英玻璃領(lǐng)域首位院士。

讓玻璃“站著”變大變長(zhǎng)

1998年，航天相關(guān)單位再次找到中國(guó)建材總院，提出了新的材料需求——遙感衛(wèi)星的窗口材料需要300毫米口徑的高純耐輻照石英玻璃。

此前的產(chǎn)品難以滿足這一需求，研制新的耐輻照石英玻璃勢(shì)在必行。

這又是一個(gè)前所未有的挑戰(zhàn)。高純耐輻照石英玻璃的基礎(chǔ)是高純石英玻璃，當(dāng)時(shí)，我國(guó)普遍采用“臥式”合成沉積工藝制備高純石英玻璃，口徑只能做到200毫米左右，且無(wú)法滿足高光學(xué)性能要求。

科研人員大膽設(shè)想：改變工藝方式，把“臥式”變?yōu)椤傲⑹健保尣ＡА罢局弊兇笞冮L(zhǎng)！

在行業(yè)對(duì)立式工藝持懷疑態(tài)度的情況下，顧真安與時(shí)任中國(guó)建材總院石英所（現(xiàn)為石英院）所長(zhǎng)王玉芬，在上海棱光實(shí)業(yè)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱上海棱光公司）爭(zhēng)取到了一塊“旮旯地”，帶領(lǐng)向在奎等一批技術(shù)人員搭建起我國(guó)第一座立式沉積爐。

向在奎回憶：“在上海棱光公司，我們只有一間實(shí)驗(yàn)室，沒(méi)有原料自動(dòng)供應(yīng)系統(tǒng)。四氯化硅這種刺鼻味道很強(qiáng)烈的原料，都是我們一桶一桶提到實(shí)驗(yàn)室的。實(shí)驗(yàn)線啟動(dòng)后就‘不能停’，我們實(shí)行‘三班倒’，休息就在實(shí)驗(yàn)室外的樓道。”

新的工藝路徑，意味著多個(gè)步驟需要“從頭再來(lái)”。自上而下的氣流如何保持穩(wěn)定流動(dòng)？怎樣避免玻璃產(chǎn)生雜點(diǎn)和氣泡？面對(duì)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)不停地?fù)Q法子試，直到一個(gè)個(gè)技術(shù)難點(diǎn)被攻克。

2001年，立式化學(xué)氣相沉積工藝走到了“考驗(yàn)工藝穩(wěn)定性”的階段。這一年國(guó)慶節(jié)，王玉芬、向在奎等6人駐守在實(shí)驗(yàn)室。四氯化硅反應(yīng)完后的二氧化硅顆粒，像煙霧一樣，自上往下噴到高溫靶材上，透亮的高純石英玻璃一層一層往上長(zhǎng)。

“看著玻璃坨一點(diǎn)點(diǎn)往上長(zhǎng)，我們都不舍得停掉實(shí)驗(yàn)線。一直到實(shí)在做不下去了，才關(guān)掉它。”向在奎說(shuō)。

2001年11月，喜訊傳來(lái)——320毫米口徑、重23公斤，第一個(gè)立式化學(xué)氣相沉積工藝制備的高純石英玻璃坨研制成功！

步入自動(dòng)化智能化快車道

2012年，中國(guó)建材總院衢州高性能石英玻璃研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化基地正式投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。青年一代科研人員在這里不斷耕耘，耐輻照石英玻璃生產(chǎn)步入自動(dòng)化、智能化的快車道。

此前，耐輻照石英玻璃的生產(chǎn)線離不開人工操作。例如，打坨環(huán)節(jié)需要人工調(diào)控氫氣、氧氣和四氯化硅的劑量。如今，生產(chǎn)線依靠氣和料的自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)精確的劑量控制。

“通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)線打造的耐輻照石英玻璃，口徑更大，材質(zhì)更加均勻。”中國(guó)建材總院石英院新材料研究所所長(zhǎng)邵竹鋒說(shuō)。

不僅如此，耐輻照石英玻璃的性能也得到了大幅躍升。邵竹鋒介紹：“新一代耐輻照石英玻璃彌補(bǔ)了材料的微觀缺陷，硅氧網(wǎng)絡(luò)較以前更完整，強(qiáng)化了耐輻照性能。同時(shí)，具有強(qiáng)大的激光損傷閾值，拓展了深空應(yīng)用場(chǎng)景。”

近年來(lái)，耐輻照石英玻璃一次次飛向太空，為我國(guó)遙感衛(wèi)星、載人航天、探月探火等重大工程立下汗馬功勞。它就像透明純凈的眼睛，見證著我國(guó)從航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)的鏗鏘步伐。

黨的二十大報(bào)告指出，構(gòu)建新一代信息技術(shù)、人工智能、生物技術(shù)、新能源、新材料、高端裝備、綠色環(huán)保等一批新的增長(zhǎng)引擎。

展望未來(lái)，向在奎滿懷信心地說(shuō)：“在新一代青年科技人才的努力下，耐輻照石英玻璃將拓展特殊性能，利用綠色制造、節(jié)能環(huán)保的手段提質(zhì)升效，為我國(guó)深空探測(cè)事業(yè)貢獻(xiàn)新的力量！”

來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

作者：孫 瑜

責(zé)任編輯：馮崢

標(biāo)簽： 石英玻璃 中國(guó)建材 四氯化硅