青島日報社/觀海新聞10月26日訊 在青島市嶗山區(qū)苗嶺路37號，海洋功能薄膜材料制備實驗室里的機(jī)器嗡嗡作響。在這里，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所的科研人員利用熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備，通過注入甲烷和氫氣，讓鈮金屬的表面“長”出了金剛石薄膜。
金剛石薄膜生長的過程只需要10小時，但技術(shù)的研發(fā)卻經(jīng)歷了4年。這樣一塊硬幣大小、毫不起眼的海洋電導(dǎo)率傳感材料，就是溫鹽深傳感器探頭上最核心的部分，也是制約溫鹽深傳感器國產(chǎn)化“卡脖子”的難題。
研發(fā)出金剛石薄膜電極材料，打破國外對核心材料的壟斷
溫鹽深傳感器（CTD）是水文氣象領(lǐng)域最基本也是需求量最大、使用最多的傳感器。目前，我國的溫鹽深傳感器主要有兩類，一類用于海洋科學(xué)研究，一類用于業(yè)務(wù)化運(yùn)行。不過，無論哪一類的CTD，我國都基本依賴進(jìn)口，市場份額被美國海鳥、日本亞力克、德國Sea Sun和加拿大RBR等公司壟斷。
“國內(nèi)在CTD傳感器集成方面已經(jīng)做得很強(qiáng)，制約CTD國產(chǎn)化的核心就是海洋傳感材料。”海洋功能薄膜材料制備實驗室團(tuán)隊負(fù)責(zé)人蓋志剛介紹說，“目前，國內(nèi)外所有廠商CTD探頭上使用的都是鉑電極材料。從原理上來講，鉑電極是金屬材料，會在海水中產(chǎn)生極化效應(yīng)，背景電流大，易產(chǎn)生噪聲干擾，從而造成測量精度的下降。”
為了減小極化效應(yīng)，國際上都會在鉑電極材料的表面鍍一層鉑黑。但鉑黑的結(jié)合力差，海洋高溫高鹽高濕的惡劣環(huán)境以及海水的不斷沖刷，極易造成鉑黑的損傷。蓋志剛說：“為了保證監(jiān)測精度，我國業(yè)務(wù)化運(yùn)行的CTD一般都是半年到1年內(nèi)進(jìn)行一次小修，3年進(jìn)行一次大修。”
與國際上使用鉑電極材料不同，海儀所研發(fā)出硼摻雜金剛石薄膜電極材料。金剛石材料屬于無機(jī)非金屬碳材料，一方面極化效應(yīng)小，可以提高測量精度，另一方面又極其堅固耐用，可機(jī)械清洗，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性和壽命。
那么，這種金剛石薄膜材料是如何避免薄膜的脫落呢？蓋志剛一邊演示一邊介紹，金剛石薄膜不是以“鍍”而是以“長”的方式覆蓋在鈮金屬表面，在熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，噴氣盤中噴出的甲烷和氫氣先經(jīng)過2400攝氏度的熱絲，氣體裂解，再經(jīng)800度的冷卻臺，氣體冷凝沉積在基片上形成核，并不斷以島狀的形狀開始生長，最終成膜。
“過程、道理很容易說，但技術(shù)其實很復(fù)雜。” 蓋志剛介紹，金剛石薄膜傳感技術(shù)是海儀所聯(lián)合國際知名金剛石領(lǐng)域?qū)＜医两淌诙嗄暄芯康某晒?/p>
基于新材料，研制出可媲美國外同類產(chǎn)品的海洋鹽度傳感器
姜辛畢業(yè)于德國亞琛工業(yè)大學(xué)，師從德國著名的科學(xué)家Peter Grünberg 教授，后者于2007年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。30多年來，姜辛一直致力于金剛石薄膜生長設(shè)計與應(yīng)用研究，獲得多項創(chuàng)新性成果，在相關(guān)領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。如今，姜辛除了是德國錫根大學(xué)表面技術(shù)與材料工程研究所所長、C4級（德國最高級別）終身講座教授外，還是海儀所的特聘教授。
2016年，經(jīng)海儀所牽頭，蓋志剛與姜辛相識。把姜辛教授的金剛石薄膜技術(shù)引進(jìn)國內(nèi)，應(yīng)用到溫鹽深傳感器上，以此打破國外對海洋鹽度傳感材料和傳感器市場的壟斷，正是海儀所的機(jī)遇和目標(biāo)。
通過引進(jìn)姜辛教授，海儀所結(jié)合在海洋傳感設(shè)備研發(fā)中的技術(shù)積累和德國錫根大學(xué)在金剛石薄膜傳感技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢，聯(lián)合開展硼摻雜金剛石薄膜電極的海洋鹽度傳感器聯(lián)合研發(fā)、測試及示范應(yīng)用。經(jīng)過4年研發(fā)攻關(guān)，近日，海儀所研制出國際首臺硼摻雜金剛石薄膜電極海洋鹽度傳感器。
據(jù)了解，硼摻雜金剛石薄膜電極海洋鹽度傳感器不僅實現(xiàn)了海洋核心傳感材料的攻關(guān)，而且在薄膜制備與表面功能化關(guān)鍵工藝、電導(dǎo)池核心傳感器件設(shè)計與制備、信號采集與處理電路設(shè)計及海洋傳感特性優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，其測量精度達(dá)±0.005mS/cm，整體性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。
“把最核心的技術(shù)牢牢掌握在自己手里，才不會在風(fēng)云變幻的時代環(huán)境下受制于人?！痹诤Ｑ蠊δ鼙∧げ牧现苽鋵嶒炇依?，蓋志剛指著傳感器旁邊或方形或鏤空的金剛石薄膜材料介紹，金剛石薄膜傳感技術(shù)和硼摻雜金剛石薄膜電極海洋鹽度傳感器的研發(fā)成功，將有效解決我國海洋核心傳感材料和傳感器受制于人的局面，滿足我國在海洋環(huán)境監(jiān)測、海水養(yǎng)殖與資源開發(fā)、海洋國土安全保障等領(lǐng)域的技術(shù)需要。（青島日報/觀海新聞記者 李勛祥）
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