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2022年11月底，伴隨著神舟十五號升空，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玻璃并沒有什么分別。但在宇宙射線照射下，普通光學玻璃會變黑，而耐輻照石英玻璃依舊透明純凈，能為航天器透過重要的光信號。

(資料圖片)

“航天器靠光信號的變化來調整運行姿態，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迷失方向。”中國建筑材料科學研究總院有限公司（以下簡稱中國建材總院）北京分公司副總經理、總工程師向在奎日前告訴科技日報記者。

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

解決“不可能解決”的矛盾

1987年，航天領域相關單位找到中國建材總院，提出需要一款經宇宙射線輻照不變黑并能過濾紫外線的特殊石英玻璃。時任中國建材總院國家石英玻璃質監中心主任的顧真安，接下了這塊難啃的“硬骨頭”。

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

曾任顧真安副手的陳文彩如今已85歲高齡了。她回憶，當時，大家也不相信能解決這個矛盾。“但顧真安覺得，外國人能做出來，我們就一定做得出來。”

接到任務后，顧真安和陳文彩一頭鉆進實驗室研究所需元素性能，下“笨功夫”不斷實驗。

“玻璃配方是第一步，也是技術難點。顧真安照著元素周期表，將所有相關元素在石英玻璃中的應用與變化都分析研究了一遍，最終找出了能濾紫外線、調節玻璃純度的關鍵元素及配比。”陳文彩說。

當時，顧真安的實驗室光線不好，桌椅板凳都很破舊，休息的床也是由門板拼成的。他整天待在實驗室里，反復研究元素的躍遷光譜、能級與吸收。記錄實驗數據、畫著實驗圖表的筆記本，疊成了厚厚的一摞。

功夫不負有心人。1993年，顧真安團隊終于研制出耐輻照石英玻璃。1996年，耐輻照石英玻璃獲得國家科技進步二等獎。1997年，顧真安當選中國工程院院士，也是中國石英玻璃領域首位院士。

讓玻璃“站著”變大變長

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

此前的產品難以滿足這一需求，研制新的耐輻照石英玻璃勢在必行。

這又是一個前所未有的挑戰。高純耐輻照石英玻璃的基礎是高純石英玻璃，當時，我國普遍采用“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，且無法滿足高光學性能要求。

科研人員大膽設想：改變工藝方式，把“臥式”變為“立式”，讓玻璃“站著”變大變長！

在行業對立式工藝持懷疑態度的情況下，顧真安與時任中國建材總院石英所（現為石英院）所長王玉芬，在上海棱光實業股份有限公司（以下簡稱上海棱光公司）爭取到了一塊“旮旯地”，帶領向在奎等一批技術人員搭建起我國第一座立式沉積爐。

向在奎回憶：“在上海棱光公司，我們只有一間實驗室，沒有原料自動供應系統。四氯化硅這種刺鼻味道很強烈的原料，都是我們一桶一桶提到實驗室的。實驗線啟動后就‘不能停’，我們實行‘三班倒’，休息就在實驗室外的樓道。”

新的工藝路徑，意味著多個步驟需要“從頭再來”。自上而下的氣流如何保持穩定流動？怎樣避免玻璃產生雜點和氣泡？面對問題，研究團隊不停地換法子試，直到一個個技術難點被攻克。

2001年，立式化學氣相沉積工藝走到了“考驗工藝穩定性”的階段。這一年國慶節，王玉芬、向在奎等6人駐守在實驗室。四氯化硅反應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。

“看著玻璃坨一點點往上長，我們都不舍得停掉實驗線。一直到實在做不下去了，才關掉它。”向在奎說。

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

步入自動化智能化快車道

2012年，中國建材總院衢州高性能石英玻璃研發與產業化基地正式投產運營。青年一代科研人員在這里不斷耕耘，耐輻照石英玻璃生產步入自動化、智能化的快車道。

此前，耐輻照石英玻璃的生產線離不開人工操作。例如，打坨環節需要人工調控氫氣、氧氣和四氯化硅的劑量。如今，生產線依靠氣和料的自動控制系統、智能反饋系統，實現了自動精確的劑量控制。

“通過自動化生產線打造的耐輻照石英玻璃，口徑更大，材質更加均勻。”中國建材總院石英院新材料研究所所長邵竹鋒說。

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了材料的微觀缺陷，硅氧網絡較以前更完整，強化了耐輻照性能。同時，具有強大的激光損傷閾值，拓展了深空應用場景。”

近年來，耐輻照石英玻璃一次次飛向太空，為我國遙感衛星、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，見證著我國從航天大國邁向航天強國的鏗鏘步伐。

黨的二十大報告指出，構建新一代信息技術、人工智能、生物技術、新能源、新材料、高端裝備、綠色環保等一批新的增長引擎。

展望未來，向在奎滿懷信心地說：“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、節能環保的手段提質升效，為我國深空探測事業貢獻新的力量！”

來源：科技日報

作者：孫 瑜

責任編輯：馮崢

標簽： 石英玻璃 中國建材 四氯化硅