“高附加值、高技術(shù)含量的稀土新材料，能夠?qū)崿F(xiàn)中國稀土產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。”稀土功能材料基礎(chǔ)研究與應(yīng)用創(chuàng)新集體學(xué)術(shù)帶頭人張洪杰院士告訴《中國科學(xué)報》記者。

該創(chuàng)新集體依托于中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所(以下簡稱長春應(yīng)化所)稀土資源利用國家重點實驗室，形成以張洪杰和孟建為代表的“50后”學(xué)術(shù)帶頭人、以李成宇為代表的“70后”中堅力量，以宋術(shù)巖、馮婧和龐然等為代表的“80后”生力軍。各成員通過學(xué)科交叉，充分發(fā)掘自身潛力，培育并形成了學(xué)科優(yōu)勢和特點。

張洪杰表示：“我們在提高稀土產(chǎn)品附加值的過程中，尤其注重創(chuàng)新思維和導(dǎo)向性的基礎(chǔ)研究，它不僅僅是新技術(shù)、新產(chǎn)品開發(fā)的源泉，也是稀土產(chǎn)品從低端步入高端的核心所在。”

實現(xiàn)交流LED產(chǎn)業(yè)化

LED照明是新一代照明光源，目前其核心技術(shù)都被歐、美、日、韓等國掌握。張洪杰說：“加速我國LED科技創(chuàng)新，提升LED產(chǎn)業(yè)整體水平，掌握核心關(guān)鍵材料和器件知識產(chǎn)權(quán)，是國家的重大需求。”

現(xiàn)有的LED照明光源均使用直流電作為驅(qū)動，而市電為交流電，直流LED器件不能直接使用，在工作時必須經(jīng)交、直流轉(zhuǎn)換。這就會帶來電能耗損高、元器件壽命短、產(chǎn)生熱量大、電源成本高、設(shè)備占有空間大等問題。

目前世界各國使用的交流電頻率均為50或60赫茲。由于交流電在其周期內(nèi)要經(jīng)歷電流值從大到小和正反向的過程。因此，當(dāng)使用交流電驅(qū)動LED芯片時，芯片的發(fā)光也會具有同樣的周期變化過程，從而導(dǎo)致發(fā)光頻閃。如何解決這種頻閃是交流LED技術(shù)中的最大瓶頸和一個世界性難題。

2006年，長春應(yīng)化所與四川新力光源有限公司開始6年合作，瞄準(zhǔn)國際LED發(fā)展前沿，研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、發(fā)光余輝壽命可控的新型稀土LED發(fā)光材料及交流LED器件。

創(chuàng)新集體成員李成宇研究員告訴記者，這里所說的“新型稀土材料”，不僅指材料組分、結(jié)構(gòu)的新，更重要的是材料所表現(xiàn)出來的新性質(zhì)與新功能，以及由此延伸出來的新技術(shù)和新用途。

新型稀土LED發(fā)光材料的發(fā)光余輝壽命與交流電頻率匹配，實現(xiàn)了LED芯片不發(fā)光時發(fā)光粉仍然發(fā)光，從而彌補(bǔ)交流LED電流波動導(dǎo)致的頻閃，并實現(xiàn)了從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的跨越，使中國成為世界上唯一掌握通過稀土熒光粉生產(chǎn)低頻閃交流LED產(chǎn)品的國家。

目前，團(tuán)隊研發(fā)的低頻閃交流LED產(chǎn)品已銷往美國、加拿大、墨西哥、西班牙、巴西等多個國家，該技術(shù)成果于2013年度獲得澳大利亞“金袋鼠”世界創(chuàng)新獎。

改善有色合金性能

科研要與國家需要相結(jié)合?？蒲腥藛T既要在實驗室埋頭苦干，坐得住冷板凳，又要了解國家和社會需要，走出實驗室，在實際工作中去解決問題，學(xué)以致用。

創(chuàng)新集體成員孟健研究員已在長春應(yīng)化所工作了30多年，主要從事稀土鎂合金的研究與應(yīng)用。他告訴記者：“研究之初，我們遇到的問題是稀土如何改善有色合金的性能?能否應(yīng)用到國家安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中?”

孟健說：“在張洪杰的帶領(lǐng)下，我們克服初期人力、設(shè)備的不足，系統(tǒng)研究了稀土在鎂合金中的作用機(jī)理，攻克大尺寸稀土鎂合金制備、加工中的關(guān)鍵難題。”

團(tuán)隊先后承擔(dān)了“973”、國家科技支撐計劃、“863”、重點國際合作、基金委重點等30多項研究項目，突破了高強(qiáng)高韌稀土鎂合金、耐熱抗蠕變稀土鎂合金、高強(qiáng)耐蝕稀土鎂合金研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)。

孟健說：“我們?nèi)翰呷毫Α⒍喾絽f(xié)同、爭分奪秒地完成每一次的任務(wù)，實現(xiàn)在航空航天、國防軍工、軌道交通和3C電子產(chǎn)品方面的初步應(yīng)用。”

目前，團(tuán)隊在稀土鎂合金的研究獲得授權(quán)發(fā)明專利40多項，獲得了多項國家產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，獲吉林省科學(xué)技術(shù)獎一等獎兩項。

研制溫敏發(fā)光材料

副研究員龐然是創(chuàng)新集體中的“80后”成員，他主要參與稀土溫敏發(fā)光材料的研發(fā)工作，該研究利用了稀土豐富的光譜對周圍環(huán)境溫度的敏感這一特性。

他說：“這個方向的研究可以追溯到上個世紀(jì)80年代，以蘇鏘院士和張洪杰為首的老一輩科研工作者對稀土材料溫敏現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，為新材料的研發(fā)及應(yīng)用奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。”

當(dāng)年，長春應(yīng)化所科研團(tuán)隊與風(fēng)洞測溫單位合作開展了稀土發(fā)光測溫材料及其應(yīng)用技術(shù)研究，根據(jù)風(fēng)洞測溫的特點和對材料的要求，解決了材料的發(fā)光效率、溫度響應(yīng)區(qū)間、響應(yīng)速度和熱釋光干擾等問題，研發(fā)出三大系列滿足不同測溫區(qū)間的高靈敏度發(fā)光測溫材料，打破了國外在該領(lǐng)域?qū)ξ覈牧虾图夹g(shù)的封鎖。

2012年，稀土發(fā)光測溫材料使用單位將其成功應(yīng)用于某型號實驗，這是我國第一個在激波風(fēng)洞內(nèi)使用發(fā)光材料進(jìn)行溫度探測的項目，填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的技術(shù)空白。

“當(dāng)真正面對風(fēng)洞測溫這一特殊應(yīng)用領(lǐng)域時，我們遇到的困難遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的預(yù)計。”龐然說，“風(fēng)洞測溫環(huán)境的復(fù)雜性對溫敏材料提出了極其苛刻的要求，一些我們在實驗室可以忽略的材料性質(zhì)，卻會成為妨礙材料在風(fēng)洞中使用的關(guān)鍵因素。”

他還記得，有一次某重大國防工程單位急需新的測溫材料和測溫技術(shù)，為保證研制進(jìn)度，對方對長春應(yīng)化所的材料研發(fā)進(jìn)度規(guī)定了嚴(yán)格的時間節(jié)點。在張洪杰和李成宇等的悉心指導(dǎo)下，團(tuán)隊成員克服了一系列困難，經(jīng)過一年多的反復(fù)實驗，終于2011年夏天在實驗室合成了第一批性能符合技術(shù)指標(biāo)的發(fā)光測溫材料。

“當(dāng)我?guī)е着牧系诌_(dá)風(fēng)洞測溫單位時已經(jīng)是下午6點半，在車間簡單吃過盒飯后，便和對方工程技術(shù)人員一起開始緊張的配制測溫涂料、噴涂模型、標(biāo)定工作曲線以及安裝樣件等工作。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整測試參數(shù)，采集到第一張高分辨率的氣動熱流分布圖像時已經(jīng)是晚上十一點半左右。”

“有了這張圖，我今晚就可以睡個安穩(wěn)覺了!”龐然至今還清晰地記得對方工程師看到數(shù)據(jù)圖時激動的表情。

“國外能做的，我們也能做。”張洪杰希望把稀土的研究工作一件件做好，“不僅要做到不可替代，還要做到越來越強(qiáng)，這也是一個科學(xué)家應(yīng)盡的責(zé)任。”