883｜张敬杰：比头发丝还细的玻璃小球，如何“托起”万米载人潜水器？｜中国科学院理化技术研究所｜格致SELF

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张敬杰：比头发丝还细的玻璃小球，如何“托起”万米载人潜水器？

一种比头发丝还细的玻璃小球，竟然能成为万米载人潜水器的浮力材料？科学家们经过30年的反复研究和实验，在艰苦的环境中创造条件，在保证潜水器安全的前提下成功解决了国产化问题…

演讲者：张敬杰 中国科学院理化技术研究所研究员
演讲时间：2024年3月8日 格致论道第112期“她的光旅”

张敬杰·浮力材料

这些小小的玻璃球，竟决定着下潜的深度

出身于军人家庭，小时候听到最多的话，就是做人要有志气，要做对国家有用的人。随着我国逐步走向深海，一颗颗微米级的空心球，成为制约海洋开发和深海科学研究的技术瓶颈。通过带领团队开展二十年的持续攻关，突破了软化学法制备空心玻璃微球的关键技术，研制出的拥有自主知识产权的固体浮力材料已成功应用于“深海勇士”号、“奋斗者”号载人潜水器以及多台万米无人深潜器上，确保它们从海洋最深处安全上浮。现为中国科学院理化技术研究所研究员，获得中国科学院年度创新人物，中国科学院三八红旗手等。

只因为多看了一眼失败的实验，我们就让万米深潜器摆脱了浮力材料靠进口的命运

正是因为多看了一眼，我们就看出了一个新的产品。

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。

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

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。

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。

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”

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

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