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薪火相传 “润”化万物

来 源:中国科学报
发布时间:2020-09-03

①严东升(右)、党鸿辛(左)和薛群基(中)三位院士分别任实验室名誉主任及学术委员会主任

②刘维民院士(第一排左一)与团队成员进行润滑材料研究

③周峰主任(中)在实验室里

④固体润滑与液体润滑

⑤固体润滑国家重点实验室研发的各种材料在航空航天领域的应用

⑥“神舟七号”飞船固体润滑材料空间暴露实验

“空间润滑材料与技术”团队获得国家自然科学基金委创新研究群体科学基金支持

实验室人员合影

 

■本报见习记者 高雅丽

钻木取火、机械运转、搬运工具……生活中摩擦无处不在,人类早已习惯利用或克服摩擦来解决生活或生产实践中的问题。实际上,全世界每年约30%的一次能源因为摩擦被消耗,约60%的机器零部件因为磨损而失效,约50%的机械装备恶性事故起源于润滑失效和过度磨损。

对抗摩擦,润滑是极其重要的一环。

在中国科学院兰州化学物理研究所(以下简称兰州化物所),就有这样一支专注润滑的科研团队——从“东方红一号”卫星到“风云”系列卫星,从“神舟”飞船到“天宫”系列飞行器,60余年来,兰州化物所润滑实验室及之后的固体润滑国家重点实验室(以下简称润滑实验室)四代科研人在这里默默坚守、薪火相传,开创和发展了中国的固体润滑事业。

填空白 建立固体润滑学科

1958年,在“支援大西北”的号召下,105位中国科学院石油研究所的科研人员从大连来到兰州,支持我国西部石油工业的发展。

就在他们西迁的前一年,苏联发射了第一颗人造卫星,而当时中国的航空航天事业还处于空白状态。中国自行研制的润滑脂如同自行车用的黄油一样简单,真空环境会让流体和半流体的油脂瞬间失效。

为了满足“两弹一星”对特殊润滑的需求,一到兰州,我国固体润滑学科奠基者陈绍澧、党鸿辛等人就全身心扑在科研工作上,率先在兰州化物所组织固体润滑材料的基础和应用研究。

1967年,中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”的研发进入关键阶段,科研人员遇到了100摄氏度至零下100摄氏度真空下超短波天线的导电润滑难题。

为了解决这个问题,党鸿辛带领团队到北京科学仪器厂边研究边改进,历经艰辛,终于成功研制出一种新型固体润滑膜。1970年4月24日,中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”成功发射,《东方红》的旋律响彻太空。

在前期工作的积淀下,1987年8月13日,在薛群基院士的推动下,中科院批准成立 “固体润滑开放研究实验室”。当时,整个实验室只有12个人、7间房子和50台大小设备。虽然条件艰苦,但那一天对实验室的发展而言却是一个极其重要的节点。“固体润滑开放研究实验室成立后,不仅实验条件有所改善,还能承担更多的国家项目,在科研产出、人才聚集、学科建设等方面对研究所起到了很重要的作用。”兰州化物所所长、党委书记王齐华介绍说。

1999年,科技部批准成立“固体润滑国家重点实验室”。中国科学院院士、时任实验室副主任刘维民回忆,“晋升为国字号后,实验室购买了注塑机和Langmuir-Blodgett膜仪等仪器设备,并对实验室进行了装修整理。我们更为重视学科建设,增设了物理化学、材料学博士点。同时也更加关注队伍建设,强调以高水平的研究工作吸引人才,以宽松的学术氛围、和谐的工作环境稳定人才,以高度的责任感激励人才。”

一路走来,润滑实验室的设备总值已从当年的一两千万元增加到4亿多元,人才队伍从30人扩大到100人,更是开拓了摩擦化学、纳米润滑、离子液体润滑、工程材料表面润湿及摩擦调控、超分子凝胶润滑等国际摩擦学研究的新领域。

拓方向 立足国民经济主战场

在润滑实验室发展历程中,从党鸿辛到薛群基、再到刘维民,科研人员始终坚守固体润滑事业,无论是困难时期还是建设岁月,他们始终奋斗在科研一线,为实验室描绘出承前启后的崭新画卷。

进入新世纪,润滑实验室在发展方向上做出调整——服务国民经济主战场,正如刘维民常挂嘴边的一句话,“国家需要什么,我们就做什么”。

2008年9月27日,“神舟七号”航天员翟志刚首次太空出舱、展开国旗之后,他还从飞船外收回一个“小方盒”——这是润滑实验室设计的外太空润滑材料暴露试验。它从2000多个参选项目中脱颖而出,成为唯一被选中的科学试验项目。

刘维民团队参与了这个空间润滑项目。“这个工作锻炼了我们团队在空间润滑领域的能力,同时也提升了润滑材料在国家层面的影响力,为国家深空探测中的关键系统及运动部件奠定了润滑材料基础。”刘维民回忆说。

润滑实验室主任周峰表示,在不同发展阶段,润滑实验室始终服务于航空航天、风力发电、钢铁冶金等不同应用行业,“在国家需要的时候一定要拿出解决方案”。

2011年,润滑实验室部署进入高端装备润滑领域,进一步生产满足国家需求的产品,完善产业转化链条。同时,实验室和企业联合成立研发中心,在具有重要应用价值的高性能固体润滑材料、高端润滑油及润滑脂方向与相关企业持续开展合作研究。

王齐华认为,固体润滑不是纯理论的学科,而是面向应用的基础学科,应该把科研成果转化为技术、产品或者商品。

因此,在“国家需要什么,我们就做什么”的引导下,润滑实验室研制了先进的润滑油脂,打破了国外公司的长期垄断;与中科润美科技公司合作,经过3年的不懈努力,研发了可应用于180摄氏度至260摄氏度高温工况的链条传动系统润滑油,在国内首次实现了进口替代。

此外,润滑实验室与鞍山海华油脂公司、中国石油润滑油研发中心合作,在鞍山钢铁集团的支持下成功研发出长期被国外产品垄断的高承载齿轮润滑油,并在鞍山钢铁、金川镍业等大型企业成功应用。

从航空航天到深海远洋,从装备制造到民用科技,润滑实验室以满足国家需要为己任,开创了上天入海、服务社会的新征程。

谋发展 壮大青年科研力量

地处兰州,润滑实验室在发展过程中不可避免地遇到了瓶颈问题:科研人才的“流”与“留”。与东部发达地区相比,西部存在生活环境、人员待遇等方面的差距。在接棒润滑实验室主任后,周峰一直在思考如何更好地吸引人才、稳定人才。

为了鼓励青年科研人员,周峰提出了“基础研究需要建立标签式研究领域”的想法,即基础研究要有创新性和创造性,不能做跟踪模仿的研究。“润滑实验室重视优化人才培养和团队建设小环境,为人才成长和团队建设提供有利条件,希望每个实验室的工作人员都有自己专属的标签研究领域。”周峰解释说。

副研究员蔡美荣从事自约束超分子凝胶润滑剂研究,正是在周峰的鼓励下,她拓展了润滑油脂的新领域,为自己贴上了“标签”。在此次抗击新冠肺炎疫情时,蔡美荣所在课题组的研究成果派上了用场。“医护人员戴口罩时眼镜会起雾,我们课题组研发了防雾涂层,为甘肃及其他省份十几家医院提供了1200多瓶防雾涂层液。”蔡美荣介绍说。

同时,润滑实验室鼓励青年研究人员勇于挑战研究领域国际前沿问题,并给予3~5年的自由探索时间,宽容年轻人的失败。

研究员王赵锋从事的研究方向是摩擦发光与摩擦学传感研究,他告诉《中国科学报》,正是在这样的政策激励下,自己一回国就丢掉了思想负担,积极思考未来的发展方向。

“开始独立研究后,在空间紧张的情况下,实验室很快为我们解决了科研用房问题,并从运行费中拨出一部分用于支持引进人员,还配备了招生指标,使我们迅速具备了科研的实验和人员条件。”王赵锋说。

不仅如此,润滑实验室还进行了课题组重新规划,为兰州化物所研究员王道爱和王赵锋专门建立了摩擦物理与传感课题组,有针对性地进行任务部署,适时为课题组提供契合度高的科研项目机会,让科研目标更加明确。

周峰表示,润滑实验室一直在想方设法帮助青年骨干人才成长,比如创造条件让他们到国外知名实验室开展合作研究,与他们讨论科研方向、帮助修改项目申请材料。“我们也在提高人员待遇,利用所外中心的平台吸引和稳定青年骨干人才,设立公平公正的前沿研究方向基金,扶持有兴趣有能力的部分青年人从事前沿探索研究,给年轻人留足努力和发展的时间。”周峰说。

迎挑战 成为润滑科学创新研究高地

目前,我国经济和产业转型以及科技向“三深”方面发展,为润滑学科带来了发展机遇,也带来了巨大挑战。例如传统产业中机械的更新换代需要新的摩擦和润滑材料的支持,苛刻环境下机械装备则对润滑材料和技术提出了更高要求。

面对新的形势,润滑实验室将目光聚焦到核工业、深海的润滑抗磨材料等更加前沿的方向。

润滑实验室副主任王鹏2013年从德国马普等离子体物理研究所博士后出站回到实验室,开始关注核环境下的摩擦磨损润滑方向。

“从2013年回国到2018年,在导师刘维民院士的鼓励下,我深入思考并确定了自己的研究方向,实验室为我搭建了很好的平台。”王鹏说。

如今,王鹏和团队研发的固体润滑薄膜材料首次在托卡马克核聚变装置上成功应用,解决了远程遥控操作机械臂关节轴承润滑的难题。下一步,他们还将为中国聚变工程实验堆提供整体润滑保障。

在学科建设方面,周峰表示,润滑实验室要继续瞄准摩擦学领域新趋势,制定基础研究规划,在摩擦学本质的认识、多尺度摩擦过程中数值模拟等尚待解决的问题上部署基础研究方向。

对于未来发展,刘维民坦言,润滑实验室在材料摩擦学、润滑的表面界面、合成润滑材料三个方面有一定优势,但是英美的润滑公司在研发产品上有非常大的投入,赶超他们任重道远,“只有沉下心来踏实前行,才能赶超英美先进水平”。

因此,在润滑材料与技术方面,润滑实验室面向国家装备制造新需求,创新润滑材料设计方法,带动新一代装备发展,思考如何为运动机构提供整体润滑解决方案。

“未来,润滑实验室将加强创新性基础研究,推进原创型科研工作,进一步提升国内外的影响力和领先性,坚持特色研究方向,积极促进科技成果转移转化,成为国际润滑科学创新研究基地和国家润滑材料与技术研究的战略科技力量。”周峰说。

六十载风雨征程,数代人坚守创新。未来,润滑实验室仍将在新时代建功立业、科技报国,继续书写中国“润滑”新奇迹。

“小众学科”如何成为“大众科学”

在科技资源并不充足的西北地区,为何固体润滑这个“小众学科”能够得到如此迅速的发展?为何固体润滑国家重点实验室(以下简称润滑实验室)能在科技部组织的6次国家重点实验室评估中5次获“优”?这是采访中记者一直探寻的问题。

答案在润滑实验室主任周峰的解释中逐渐清晰,“固体润滑学科是与机械、物理、生物、医学等学科交叉的‘大众科学’,近十年来润滑实验室通过多种方法、多种途径进行科学传播活动,把固体润滑的科学知识、科学方法,以及融于其中的科学思想和科学精神传播到社会的方方面面,让公众充分了解这个‘小众学科’”。

中国科学院兰州化学物理研究所(以下简称兰州化物所)所长、党委书记王齐华在采访中提到,润滑学科文化传承就是“少说多干”,科研人员有很强的吃苦精神、协作精神,对名利看得比较淡。

“地处西北,大家通过共同努力,使我们的‘小学科’进入了良性循环。这里的科研条件是领先的,也有很好的文化氛围,年轻人肯干,因此个人也容易得到发展。”王齐华总结说。

事实上,这样的精神传承有着历史渊源。1962年,国家有关部委向中科院提出需要解决液氧条件下的润滑问题,这是兰州化物所摩擦、磨损与润滑实验室(润滑实验室前身)接到的第一个固体润滑研究任务。在陈绍澧、党鸿辛等老一辈科学家的带领下,科研人员在科研大楼外的空地上搭建起模拟条件下的临时固体润滑试验房,日夜钻研,最终攻克了液氧条件下的润滑难题。1997年,党鸿辛和薛群基分别当选中国科学院院士和中国工程院院士;同时有两人当选院士,这在兰州化物所的历史上绝无仅有,直到今天仍被传为佳话。

润滑实验室副主任王鹏也坦言自己受导师刘维民影响很大。“老师在这里默默奉献了35年,言传身教地告诉我们什么是忠诚、什么是使命,所以我从没想过去别的地方。”

而刘维民的经历则体现出润滑实验室又一发展秘诀——对年轻人的信任。1992年6月,博士毕业不到两年的刘维民被兰州化物所任命为固体润滑开放研究实验室副主任。

“在那个年代,只有助理研究员职称的我就能担任实验室副主任,体现出研究所及实验室对年轻人的信任及放手任用,可以说放心起用年轻人是实验室的传统。” 刘维民说。

一件件小事,逐渐汇聚成润滑实验室的优良传承。在这60年的积淀中,润滑实验室确立了“国家需求与学术追求相统一”的价值观,发展了“前沿引领、务实合作、创新奉献”的润滑精神。而这些,正是“小众学科”发展成为 “大众科学”的“秘密武器”。(高雅丽

固体润滑国家重点实验室简介

固体润滑国家重点实验室的前身为中国科学院兰州化学物理研究所摩擦、磨损与润滑实验室。1987年在该实验室的基础上成立了中国科学院固体润滑开放研究实验室,1999年10月经科技部批准建设固体润滑国家重点实验室,2001年4月建成并通过验收。

固体润滑国家重点实验室定位于应用基础和高技术研究。主要方向为开展新型润滑防护材料的设计、制备和摩擦学性能研究,从分子层次上探索摩擦化学机理和材料损伤防护的原理与方法,发展高性能润滑和防护材料及减摩与抗磨技术。主要研究内容包括摩擦学理论及摩擦化学、特殊工况摩擦学、材料摩擦磨损与表面工程、高性能润滑防护材料。

固体润滑国家重点实验室始终坚持“基础研究瞄准国际前沿,应用研究立足国家需求”的方针,以“创建一流科研环境,培养一流科技人才,做出一流科研成果”为目标,努力建设在国际摩擦学领域具有重要影响、能为国家高新技术和国民经济发展作出重要贡献的国家重点实验室。

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