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大展宏“涂”

2022/7/7 7:08:58 来源:北京日报

6月5日,神舟十四号载人飞船成功发射,标志着中国空间站建造阶段首次载人飞行发射任务取得圆满成功。而神舟十四号飞船生命保障系统的关键部件,继续沿用了北京航空航天大学材料学院应用化学系原主任、教授郑天亮的涂层方案和工艺。这一方案曾临危受命,安全护航“天宫一号”任务,并在载人航天领域沿用至今。

郑天亮长期从事特种功能材料、腐蚀防护研究,是我国著名的功能材料、腐蚀防护专家。从祖国最南端的岛礁灯塔,到翱翔浩瀚宇宙的航天器,再到高架桥梁的高铁无砟轨道、深入地下的国防人防工程,都大量应用了他研发的特种涂料。在北京市委宣传部、市科协等部门组织开展的北京“最美科技工作者”遴选中,郑天亮当选为2022年北京“最美科技工作者”。

一根麻花启发破解技术难题

受做科学管理工作的母亲影响,“科学”二字很早就在郑天亮的内心扎根。这位爱动手、爱钻研的小男孩,总是成为家里的“维修工”——家里的自行车坏了、门锁打不开了,年少的郑天亮总能想办法修好。自制的半导体收音机,从电路设计到画图、腐蚀、焊接、调制,他都能独立完成。

对身边的物件,他总是充满了好奇。那时孩子们常收集废弃的烟盒,郑天亮则观察得更加细致,对不同烟盒内包裹的“锡箔纸”起了兴趣,不同品牌的烟盒里,“锡箔纸”的薄厚、硬度、可塑性都有着明显差异。“锡箔纸”真的是锡做的吗?不同的手感是不是意味着其成分不同?

郑天亮就读于北京四中时,学校里有个约定俗成的“规矩”,如果学生有感兴趣的科学问题,可以向老师提交一份实验申请,写清要做什么、怎么做。老师认可后,便可以免费使用学校实验室的仪器设备和材料进行科学实验。

作为“好奇小子”,他当然不会放过自己的疑问,立刻提交了申请,通过两性氢氧化物的判定办法,确定收集到的烟盒“锡箔”其实是铝箔。化学老师在课前用1分钟的点评肯定了他的“探索”结论,同时提醒,不排除很久以前人们曾用过锡箔。“我特别感谢四中的素质教育和自学能力培养,这其实是一种科技创新的教育,对学生来说,科学的启蒙非常重要。”

郑天亮的科研之路,每一步都走得扎实。而他的第一个科技成果,生长于东北的“黑土地”。

黑龙江作为农业大省,农耕拖拉机使用很普遍。但拖拉机经常因故障“趴窝”,当时因技术所限,没有实时的检测设备,维修、排除故障十分费时费力,严重影响了生产效率。如果能做出一台综合测试仪,将拉力、流量等数据转化为电信号,便能对拖拉机等农业机械进行快速有效的检测。

拖拉机电子测控仪的研制任务落在了黑龙江,就读于物理专业的大三学生郑天亮,独立承担了燃油流量动态检测的任务。他废寝忘食钻研了几个月,终于画出了图纸,设计出微型涡轮流量计的传感器和二次仪表电路,并用马口铁片和强力胶粘出了涡轮流量传感器模型。模拟试验证实,信号可以正常显示,说明技术思路可行。但高精度加工难住了他,拿着图纸到专业仪表厂求援却四处碰壁,工厂工程师表示,除非请到八级钳工在显微放大下手工制出模具,再去浇铸冲压,仅靠机械加工绝不可能。突破无望,老师们也觉得恐怕得放弃,急得郑天亮嘴角都起了泡。

一次,一起打球的球友看他情绪不佳,第二天便为他带回了早饭——一根麻花,来安慰他。“看到麻花螺旋结构,我当时脑海中灵光一现。”苦思冥想多日的困惑,在看到麻花的瞬间受到启发,正螺旋曲面的微积分理论可以变通用在零件制造上,只需几步操作,就能在机床上加工出想要的零件。

他哈哈一笑,吃掉了麻花,转身便到系办工厂,在老主任的指点下,亲手操作车床、万能铣床,在显微放大下,终于做出了直径2.1毫米的正螺旋曲面涡轮,整个难题迎刃而解。

电磁学、机械加工、材料科学、电子控制等涉及多个专业的知识,都凝聚在这台拖拉机电子测控仪的微型涡轮流量计中。最终的成品甚至不需要油路管道的脉动流量驱动,只需吹上一口气,流量计传感器中的涡轮就轻快地转了起来,频率计显示着转速。

棘手的难题,就这样被一名大三学生破解了。“这是我的第一个成果,是我亲身跨越不同学科做出的重要贡献。我这辈子能走上科学技术研究的道路,这个项目可以说是奠定了基础。”郑天亮说。

一项发明火遍半个中国

研究生期间,郑天亮跟随导师做防腐涂层论文的同时,开始接触特种功能材料的研究。这是典型的交叉学科领域,几乎每项新的研究,都必须积累相关领域的基础科学知识。例如用于船艇的减阻涂料,需要科研人员精通流体力学、高分子材料、涂料科学等多领域知识,“减阻的一个重要问题是研究层流、紊流的转捩点,如果没有流体力学的知识,科研是没办法深入的。再比如雷达波隐身材料的研究,必须从电磁波传输方程和数学建模起步。”

从基础理论到应用科学,再到工程应用,最终做出工业产品,郑天亮踏踏实实地推进着功能材料的“产学研一条龙”。早在1984年举办的中国首届科技成果交易会上,仅是中国铁道科学研究院在读研究生的郑天亮,就凭借转让的功能材料技术成功“救活”了两家企业。

如果机械设备上出现锈死的螺栓,工人就无法轻松开展维修,必须凿、锯甚至用气焊烧。郑天亮的导师带领一位负责红外分析的工程师研究了两年,成分分析红外光谱做了很多次,最终产品的效果却总是比不上国外的同类产品。

郑天亮提出,不宜过度依赖光谱分析模仿,开发产品必须抓住主要矛盾,从机理出发,建议更改配方。更新配方的松锈液拿到一台清代的老式蒸汽机车上进行试验,马上见效——对准锈死的螺母一喷,几十秒钟就能拧开,现场的老工人都不由得鼓起了掌。

在交易会上,铁科院这项技术转让给了两家困难企业。老区厂长将松锈液改名螺栓松动剂,一经上市,立刻火遍半个中国,两家企业也迅速“起死回生”,在上世纪80年代,老区工厂新产品车间10个人投资几万元,一年的产值利润就相当于同厂400名员工在投资400万元碳铵化肥设备所产出的产值利润。

“那时候普遍缺电,变电站每个维修人员的侧兜里都装着一瓶螺栓松动剂,大大提高了效率,这句话一点都不夸张。”谈到这项发明,郑天亮的语气里满是自豪,这项发明的产品价格并不贵,但附加价值极高。当时,这项技术应用最多的领域是电力系统,让维修不再需要长时间拉闸限电。在维修时争取到的每一分钟,都意味着挽回大量损失,电厂、企业、百姓都因此受益。直到现在,这个产品依然被工程一线人员使用。

一个个技术创新、技术突破的成功实现,让郑天亮越来越有底气和自信,敢于坚持真理。1990年,他前往美国做访问学者期间,接触到了一个汽车工业镀锌材料项目,围绕镀锌钢板电清洗、电酸洗与电镀自动化生产线的渗氢和氢鼓泡的难题,美方科学家已经攻关了9个月。但郑天亮甫一接触就发现了问题,“他们的关注点始终是温度、pH值等工艺问题,是隔靴搔痒,没有抓到实质。”

刚到美国第二周,一次例会上,郑天亮提出了自己的全新方案计划,却直接遭到时任美国腐蚀工程师协会主席的反对。郑天亮并没有因为对方的身份而退缩,坚持己见,两人展开了激烈辩论。第二天,郑天亮的办公桌上多了两篇论文,该主席的博士生留下一张留言纸条:“我找到了两篇论文支持你的观点”。随后郑天亮电话问询,该博士生中肯地表示“You are right(你是对的)”“Someone was wrong(有人错了)”。

随后,美国教授为他办理了签证延长手续,郑天亮随即将想法落地,自己动手做出了信号发生器和恒电流源实验装置,彻底解决了渗氢难题,“对美国的同行,我向来都是平视的。”

一套方案确保神舟飞船长寿

1961年,苏联宇航员尤里·加加林乘坐“东方1号”宇宙飞船环球飞行成功,实现了世界上首次载人宇宙飞行。当时,郑天亮还是一名六年级的小学生,在作文中他郑重地写下,“长大以后,我要像加加林一样驾驶宇宙飞船遨游太空”。

遗憾的是,在初中毕业前报考飞行员的体检中,郑天亮因鼻中隔偏曲被淘汰。不过航空航天事业并没有因此向他关闭大门,在载人航天工程中,他儿时的梦,变换了一种方式得以实现。

2011年初,中国载人航天工程网站对外发出公告,我国第一个空间实验舱“天宫一号”将要在当年的夏秋发射。发射窗口期确定后,国内外都对此高度关注。

“2011年2月28日,这一天我终生难忘。”郑天亮说,就在这一天,“天宫一号”生命保障系统的关键部件地面试验再次发生严重漏压。

为了保证运行安全,航天器的每一个零件、每一处工艺都必须能经受复杂的太空环境考验,必须保证“长寿命”运行。“天宫一号”计划在轨道上的工作运行时间为2年,但地面试验中,生命保障系统的关键部件仅能维持运行4个月,与设计寿命的差距过大。如果在轨发生故障,航天员的生命将受到严重威胁。

经过各方专家的“会诊”,找到了问题的根源——晶间腐蚀。但相关部门有针对性地开展了两轮解决方案试验,均告失败,余下的时间愈发紧张,必须在短时间内解决这一问题。此时,他们了解到郑天亮拥有一种达到美国军用飞机标准的涂料技术,希望他能一试。

在第三轮不同方案样件试验的竞比中,郑天亮的方案样件,在与十余个方案的竞争中脱颖而出。

方案胜出后,又进入了正式样机之战。郑天亮与其他两家机构展开了样机试验的比拼,在CASS机铜加速乙酸盐雾的恶劣腐蚀环境中,样机要至少经受4天不漏压才算合格。试验开始后,第二天便有一台样机因漏压而“出局”;第三天,又一台样机被淘汰,最终只有郑天亮的样机通过了考验。郑天亮的方案和工艺被选中。

但这还只是第一步。“从科技攻关到工程应用,中间还有很长的路要走。涂装行业有句俗话叫‘三分料、七分工’,最终涂料能否发挥最大的作用,涂装工艺的影响要占到一半以上。”郑天亮回忆,宣布方案评审结果的第二天,他就到达工厂,设计加工流程,改造加工设备,试验确定最佳工艺参数,一去就是十几天,“每天几乎都是在高度兴奋中度过”。工厂里的技术人员也逐渐和郑天亮熟络起来,亲切地称他为“长寿命专家”。

最终,按照郑天亮的方案工艺成功生产出经过CASS机恶劣腐蚀环境试验8天不坏的样机产品,保障“天宫一号”如期发射并交会对接成功,并且在轨“超期服役”,直到2018年4月2日再入大气层。

经过评价试验,这一涂层方案和涂装工艺继续应用在多个载人航天任务航天器关键部件上,包括刚刚成功发射的神舟十四号载人飞船。郑天亮少年时的航天梦终于成为现实,他成功解决了天宫、神舟飞船关键部件长寿命技术难题,并担任中国空间站长寿命与在轨维修独立评估组专家,为中国空间站技术把关。

“一条龙”科研理念大显身手

南中国海上,一座座被誉为“海上平安灯”的灯塔默默矗立。它们或通体雪白,或红白相间,在夜间,一束束温暖的灯光为来往船只指引着方向。

在南沙岛礁周边海域,高温、高盐、高湿、暴晒的腐蚀环境,以及时常“光临”的台风、巨浪,都考验着灯塔本身的寿命。面对恶劣的自然条件,钢筋混凝土工程要想平安服役50年都有相当大的难度,郑天亮却放出豪言,高耐候弹性防护涂层系统要保障我国南海岛礁灯塔成为“百年工程”。

他制定了详细的涂装工艺文件,并亲自培训上岛人员。2016年春节,团队踏上岛礁,但在喷涂施工的第一天就被迫停工——7号灯塔喷涂聚脲层时,涂层出现了排球般大的鼓泡。

这是热带海洋环境给团队的一个“下马威”。告急电话打给了郑天亮,他通过对现场环境、操作细节和设备原理的分析做出判断:此地环境湿热,灯塔表面肉眼不可见的水膜和设备中存在的水蒸气,在遇到高温聚脲材料时被包裹、膨胀,于是出现了鼓泡现象。调整开工时间和设备操作程序后,问题迎刃而解,施工顺利进行。

时间是最客观的见证者。六年多的时间已过,5号、7号灯塔涂层风光依旧,表现优异,而使用了某外企知名品牌氟碳涂料的三座灯塔涂层,还不到三年就分别出现了开裂、剥落、变色。

“世界高科技的对决,特种功能材料扮演了十分重要的角色。”郑天亮说,小小的涂层,往往能发挥巨大的作用。如果船舶没有防污涂料,海洋生物将不断附着在船舷上,使其寸步难行;光伏电池上加装一层薄薄的防反射膜,便能减少其表面玻璃反光导致的能源损失,“虽然效率提升仅有百分之几,但你可别小瞧它,日积月累下来,是个很大的数字。”

特种功能材料的应用范围极其广泛,多年来,郑天亮在航天低密度烧蚀涂层、吸波隐身材料仿真与优化设计系统、船艇减阻涂料、建筑防氡涂料、反射隔热节能涂料等领域,都取得了重大科研成果。

其实,郑天亮开展的科研项目,绝大多数都来自各行各业的“求援”,他的判断标准也十分简单,“只要对国家建设有利、对社会发展有益的,就要去做。”

虽已退休十余年,郑天亮却从未离开科研一线,2021年大病手术后,他仍继续投身重点科研项目。他带领团队研发出的聚氨酯脲新材料,具备优异的耐冲击磨蚀与空蚀性能,目前正在三峡大坝泄洪深孔620平方米试验段施工。为了保障工程顺利进行,郑天亮经常和一线工程人员电话讨论到凌晨。

“作为科技工作者,能够解决国家重要工程中的实际问题,每次都有一种成就感。”在当选2022年北京“最美科技工作者”后,郑天亮感慨道,作为科研人员,最重要的是要有家国情怀,将科研作为毕生的事业,做出“真东西”,从科技攻关到工程应用“一条龙”走到底。“我非常珍惜我现在依然还能够站在科技的最前沿,为国效力。”

回顾郑天亮的科研历程,他所研发的特种功能材料,已广泛应用在弹道导弹、神舟飞船、中国空间站、南沙岛礁、三峡大坝、高铁无砟轨道等大国重器工程和国防经济建设之中。如今,这位与共和国同龄的科技工作者带着他的团队,仍奋斗在科技创新前沿,在他的科技人生乐章里至今没有休止符。


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