只因为把失败的实验多看了一眼，我们就“承包”了国内几乎所有万米潜水器的浮力材料 | 张敬杰——科学讲坛

学术 2024-09-14 10:01 北京

正是因为多看了一眼，

我们就看出了一个新的产品。

张敬杰 · 中国科学院理化技术研究所研究员

格致论道第110期｜2024年3月8日北京

大家好，我是张敬杰，来自中国科学院理化技术研究所。我今天想跟大家分享《与玻璃球相伴30年》。

我研究的这个玻璃球，并不是大家小时候玩的那种，而是一种非常非常细的小球。我们的头发丝很细，直径大概是100多微米，而我做的这个小球的直径是头发丝的1/3，只有几十微米。

我是从实心小球开始做的。这种实心小球可以用在反光材料，比如警察穿的反光背心、小朋友的书包还有胶鞋的反光带上。到了夜晚，灯打过去，这些用了实心小球的反光条就非常明显。制作这个小球非常难，目前在世界上还只有少数国家可以做出来。

我们在小球研制的过程当中，尝试了各种不同的配方。在其中一次研究，我们发现做的这个小球浮了起来，在水面上出现了一层薄薄的白色粉体。实心小球的密度比水重，按理来说它应该沉下去，但那一次实验时却浮在上面。

对我们当时的研究来讲，这是一个失败的实验。但是我们并没有把这个失败的东西倒掉。因为好奇，我们想看一看这个漂上来的东西到底是什么样的。

正是因为多看了一眼，就看出了一个新的产品。我们原来做的实心小球密度重，所以会沉下去。而这个小球中间是空的，是非常规则的空心球体，所以会浮在水面上。

因此我认为这是一个新发现，于是就沿着这个方向研究，寻找它有没有新的用途。我们找来找去，查了很多相关的国际国内的资料。后来发现，这种轻质的材料可以用在海洋工程里，尤其是载人潜水器和无人潜水器上。

▲左上：美国阿尔文号（1964），4500米

右上：法国鹦鹉螺号（1985），6000米

左下：俄罗斯和平号（1987），6000米

右下：日本深海6500号（1989），6500米

潜水器在水下工作完之后，总要浮到海面上来。那怎么浮上来呢？就是靠浮力材料给它提供浮力，让它从海底浮上来。而空心玻璃小球和树脂结合之后，就可以做成固态的浮力材料，国际上所有载人深潜器都用到了这种材料。

我们认为，浮力材料里最核心的部分就是空心玻璃微球。空心玻璃微球的性能直接影响了浮力材料的性能，在某种程度上决定了潜器下潜的深度。我们意识到，海洋是我们国家未来发展的一个重大研究方向，这件事情是一定要去做的。

从电风扇和煤气罐开始摸索

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我们没有跟着国外的技术去做，也没有采用传统的技术，而是用了一种叫软化学合成的创新制备技术，这种方法还没有前人用过。

我们当时的条件非常艰苦，只能自己创造条件。没有排风装置，就用电风扇来替代；没有气源，就用家里面做饭的煤气罐。就这样，我们搭了一个非常简陋的装置。在这个装置上，我们打通了工艺技术路线，证明通过我们的方法和配方，这个体系是可以得到产品的。

打通了方向之后，接下来的任务就是怎么改造这个装置。这个装置四面透风，前面是敞开的，常见的跑冒滴漏问题都不用说，我们还没有办法自主控制，很难得到稳定的产品。于是我们就需要做一个封闭的设备。

左边这台方形的是我设计的一台装备，右边这台有点像飞碟的是在方形设备的基础之上做的新装备。因为当时没有现成的供应商，我们只能自己设计，自己出图纸。当时我拿着图纸，在原来的老感光所（中国科学院感光化学研究所）所在地北沙滩找了一个厂家帮我们加工。用这些装备，我们在实验室阶段得到了较高的收率。

但我们实验室里的产量还比较小，只有几百克。而我们的目标是要做出能够真正投入使用的材料，而不是仅仅发文章和申请专利。所以我们就需要更大的场地和更大的装置来做中试放量。

要做一个公斤级的设备，面临的第一个问题是什么呢？没有场地。于是我们只能去北京通州潮白河附近租了一个农家院。地方选好了要付房租，但是房租又不属于我们经费的适用范围，所以当时我们想了很多办法，跟我的导师做过水凝胶的护手霜，也做过固体酒精，还包括把反光涂料的专利都转让了，卖了一部分钱，把房租交上了。

我们当时在通州跑得最多的地方就是废品回收站，因为我们经费有限，有一些装备又买不到，所以只能拿别人不用的东西。这个显微镜就是我们当时淘过来的。大家知道显微镜有好几档，可以放大不同的倍数，有30倍、50倍、100倍等等。我们捡的这个显微镜当时就只剩下一个档可以放大，但是够用了。

做好装备之后，接下来的问题就是怎么去安装。因为当时也没有现成的施工队，也是我在当地找的一些村民，指挥着他们把这台设备搭建起来了。

这一台已经搭建好的设备，就是我们国家第一台5公斤级的软化学合成制备小球的装置。

我们有了装置的硬件条件之后，就要往前做科研了。其中非常重要的一部分就是调配，比如配方、反应条件、工艺参数等等，都要一遍一遍地去调，这是一个漫长的积累过程。

这时候我们并没有拿到专门研究海洋工程用途玻璃小球的经费，但是我们认准了这个方向，认为未来国家一定会需要这个材料，就一直在坚持，一直在调、在做。

▲中试线：50公斤级

随着我们国家对海洋工程越来越重视，在2007年，我们终于拿到了一个面向海洋的空心玻璃微球探索项目，得到了支持。于是我们就在租的小院里面又搭建了一台设备，比我们原来的那个设备功能更加强大。

▲生产线：100吨级

差不多在二零一几年的时候，中国科学院也对我们的工作非常重视。我们理化技术研究所在河北廊坊建立了一个基地，专门把我们做中试这一块的工作都集中在那里。我们终于可以从通州小院搬到我们自己的基地里面，进行更大的实验了。

这个材料最终要应用于海洋工程，它的需求量一定很大。所以我们一直在不断地提升条件、不断地摸索工艺，终于从实验室做到中试放量，再到更大的工业化、规模性的生产。

应用到国产深潜器“深海勇士”

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我们做出来的空心玻璃小球是什么样的呢？

照片中这些漂上来的小球能提供浮力，是合格的；沉下去的那些没法提供浮力，是不合格的。可以看到，经过硬件的建设、配方和软条件的提升，浮上来的这一部分逐渐地从20%最终做到了超过95%。

这是一张玻璃小球的光学照片，中间空的那些全部是气体，小球的壁就是图里薄薄的黑圈。为什么它们有大有小呢？因为我们要致密堆积，堆得越多，浮力材料的密度就越轻。所以小球的大小也是有比例的，不能全部都用一样的小球。

经过多年的努力，我们终于打通了整个工艺技术路线，同时得到了性能非常好的小球。

我们还在实验室同步开展了浮力材料的研究，把小球用树脂粘接起来。因为小球是一颗一颗分散的，用树脂把它粘起来之后，才能应用到载人潜水器上。

在做小球的同时，我们时刻关注着我国载人潜水器的发展。在2012年，我国第一台自行设计集成的潜水器“蛟龙”号下水了，所用的浮力材料是国外的产品。而且很不幸的是，他们采购到的不是性能最好的材料，这也更加激发了我们一定要把浮力材料国产化的决心。

浮力材料做出来了之后，一定要经过海试的考核。如果不在海底这种复杂环境考核的话，是不能用在潜器上的。我们通过多方协调，终于让中国海洋大学帮我们进行了海试。

我们把材料挂在橘黄色的浮球上面，白色的东西就是材料。浮球和材料随着潜标放在海底4000米深的地方，并停留5个月。

5个月之后，再去到这里把材料拿回来，之后再次测试。测试结果表明，我们浮力材料的各项性能都已经达到了国际先进水平，通过了海试的考核，可以投入使用了。

这时，国家已经在布局“深海勇士”号的研制。我就找机会跟总体单位和用户沟通，告诉他们我们已经把浮力材料做出来了，可以提供给你们，就不用再受国外的限制了。

▲徐芑南，中国工程院院士、蛟龙号总设计师

幸运的是，我遇到了“蛟龙号”总设计师徐芑南院士。当时我把这个材料和测试结果都拿给他看，他非常高兴，说要把这些东西拿回他们单位进行考核。

当时除了我们之外还有一些做浮力材料的研发单位，大家各自带着材料，一起到总体单位去进行测试。就是把材料放进一个大罐子里，然后一起打压。最后，只有我们团队的材料通过了考核，于是总体单位就希望我们能把这个任务接下来。

对于我们而言困难是什么呢？在实验室里我只做出了几块材料，数量很少。我们当时也没有合适的场地，要在半年多的时间里拿出几千块材料，对我们中国科学院人来讲压力非常大。而如果不接的话，这个项目可能会拖期，因为当时已经不能再买国外的产品了。

这也正是考验我们的时候。这个时候上还是不上？试想一下，如果你觉得这个事情风险很大，最终有可能失败的话，你该怎么办？但是国家就需要这个东西，而且只有你的团队能做，那你又该怎么办？所以我们团队决定勇敢地冲上去了。

当时那个冬天非常冷，我们都穿着大棉袄。可能一般人看到这张照片，也难以想象这是科学家们在做实验。

那时候也没有检测的装置，我们只能自己上，自己建检测装置。当我们把这个材料打压完了之后拿出来，大家全部都围了上去，看到底有没有问题。

最终材料的指标全都符合要求，我们终于等到了交付那一刻。

总体单位也对我们的材料进行了非常严格的测试，每一块的测试就需要4个人一起看，确定这个东西到底是行还是不行。经过了很多轮测验，我们的实验产品合格了。总体单位非常高兴，科技部的领导也非常高兴，我们自己也非常高兴。

终于在2017年，“深海勇士”号成功下潜4500米，当时我们非常激动。

为“奋斗者”保驾护航

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解决了国产化的问题，接下来我们国家又部署了第3代载人潜水器“奋斗者”号。那么这个载人潜水器的难点在什么地方呢？

▲左图：的里雅斯特号（1960），仅下潜一次

右图：深海挑战者号（2012），仅下潜一次

在之前，国外也有下到万米的潜水器，但都只成功下潜了一次。而我们这一次挑战的极限是多次往返开展水下作业，不是去探险也不是去观光。

对于我们来讲，这个难点就是一定要保证潜水器的安全，材料一定要非常可靠。

所以我们做了大量的实验，这些都是我们的样品。为了满足苛刻的载人条件，我们做了很多的循环实验、打压测试，还做了盐雾试验。

海洋环境非常恶劣，盐雾试验能确保材料在严酷的海洋环境中正常使用。

在2015年，第一批适用于万米的浮力材料在深海所（中国科学院深海科学与工程研究所）进行了打压测试。这一次打压给大家吃了一个“定心丸”，我们自己的产品是非常不错的。

在2017年，我们有了一个可以下到万米的机会。当时深海所的“万泉”号深渊着陆器预计下到万米，但是他们在设计之初并不知道我们的产品可以用，还准备采购国外的产品。他们知道我们打压测试合格后，非常支持我们，愿意给我们提供这个机会。

当时也有很多不同的声音，有些人说要少用一点国内的，万一要有问题怎么办？但是经过好几轮认真的讨论，最后还是决定给我们这个机会，支持材料国产化。于是，我们的材料随着“万泉”号深渊着陆器下到了万米。

后来他们反馈说：“张老师，你们的浮力材料非常给力，下了很多次万米，而且停留了很长时间，都没问题。”这也给了他们非常大的信心。

因为深渊着陆器是无人的，它也不要求具备活动范围，放下去以后在那个地方不动，所以我们当时做的这个材料其实还没有满足载人潜水器的要求。接下来，我们又开展了更高安全系数的浮力材料的研制。

为了感谢他们，我准备把原来适用于无人潜水器的浮力材料换下来，无偿地给他们使用更好的用于载人的浮力材料。但是他们对我们的材料信心满满，说：“张老师，不用换！”后来我还是给了他们新的材料，他们把原来的材料换下来以后，又用到了其他着陆器上。

“万泉”号搭着着我们的载人浮力材料下到万米以后，大家都非常开心，继续按照时间节点完成了“奋斗者”号浮力材料的加工。

▲2020年11月10日，

奋斗者号坐底马里亚纳海沟10909米深度

终于在2020年11月，从万米海底传来了美妙的信息，“奋斗者”号成功下到万米深渊。这时候所有人都在欢呼，但是我们团队的人还在等，等什么？就是等我们的材料把载人潜水器带到海面。

只有这一刻，我们看到载人潜水器缓缓地出现在海面的时候，我们才真真正正放下了心。这才是我们最激动的时刻。

小球的用途还有很多很多

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经历了几十年研发的积累，我们又进行了更加系列化的浮力材料的研发。

目前我们国家所有的万米载人潜水器和无人潜水器全部都用了我们团队提供的浮力材料。

我们做的这些都是为了服务于海洋的勘探和科考，而最终的目标是要开发海洋。开发跟之前间歇式的下潜与上浮不一样，材料可能要在水下放3年、5年甚至20年。

于是我们又研发了新型的浮力材料，用到了我们国家采海底结核矿的“曼塔”号采矿车上。

刚才介绍的都是我们的浮力材料，今天我讲的是《与玻璃球相伴30年》，回过头来再讨论一下我们这个玻璃小球。我们的玻璃小球有很多系列，刚才介绍的是海洋系列，还有航空系列、油田系列、能源系列等等很多很多的小球。

在航天方面，我们可以利用它隔热，在低温方面也可以用它进行低温储罐的保冷。在民用方面，跟我们直接接触的乳胶垫、枕头，还有一些衣服，全部都可以看到玻璃小球的身影。甚至癌症治疗都有可能用到玻璃小球。

有人说，最幸福的就是当你成功的那一刻。但是我认为，成功的幸福只在一瞬间，更幸福的其实是你回过头来，回望那些克服过的困难、遇到的挫折，迈过去之后再回忆的那个时候。

困难就是一次成长，成功就是一次蜕变。我想，未来我还是要和玻璃小球打交道，实心的、空心的、多孔的，这些小球都会和我继续相伴下去。

谢谢大家！

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