青島日?qǐng)?bào)社/觀海新聞10月26日訊 在青島市嶗山區(qū)苗嶺路37號(hào)，海洋功能薄膜材料制備實(shí)驗(yàn)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(guò)注入甲烷和氫氣，讓鈮金屬的表面“長(zhǎng)”出了金剛石薄膜。
金剛石薄膜生長(zhǎng)的過(guò)程只需要10小時(shí)，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(guó)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(guó)外對(duì)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(guó)的溫鹽深傳感器主要有兩類(lèi)，一類(lèi)用于海洋科學(xué)研究，一類(lèi)用于業(yè)務(wù)化運(yùn)行。不過(guò)，無(wú)論哪一類(lèi)的CTD，我國(guó)都基本依賴(lài)進(jìn)口，市場(chǎng)份額被美國(guó)海鳥(niǎo)、日本亞力克、德國(guó)Sea Sun和加拿大RBR等公司壟斷。
“國(guó)內(nèi)在CTD傳感器集成方面已經(jīng)做得很強(qiáng)，制約CTD國(guó)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(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人蓋志剛介紹說(shuō)，“目前，國(guó)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(lái)講，鉑電極是金屬材料，會(huì)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(cè)量精度的下降。”
為了減小極化效應(yīng)，國(guó)際上都會(huì)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(shuō)：“為了保證監(jiān)測(cè)精度，我國(guó)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(guó)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(wú)機(jī)非金屬碳材料，一方面極化效應(yīng)小，可以提高測(cè)量精度，另一方面又極其堅(jiān)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(zhǎng)”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(pán)中噴出的甲烷和氫氣先經(jīng)過(guò)2400攝氏度的熱絲，氣體裂解，再經(jīng)800度的冷卻臺(tái)，氣體冷凝沉積在基片上形成核，并不斷以島狀的形狀開(kāi)始生長(zhǎng)，最終成膜。
“過(guò)程、道理很容易說(shuō)，但技術(shù)其實(shí)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(guó)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(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的海洋鹽度傳感器
姜辛畢業(yè)于德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)，師從德國(guó)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(jiǎng)。30多年來(lái)，姜辛一直致力于金剛石薄膜生長(zhǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，獲得多項(xiàng)創(chuàng)新性成果，在相關(guān)領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。如今，姜辛除了是德國(guó)錫根大學(xué)表面技術(shù)與材料工程研究所所長(zhǎng)、C4級(jí)（德國(guó)最高級(jí)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(shí)。把姜辛教授的金剛石薄膜技術(shù)引進(jìn)國(guó)內(nèi)，應(yīng)用到溫鹽深傳感器上，以此打破國(guó)外對(duì)海洋鹽度傳感材料和傳感器市場(chǎng)的壟斷，正是海儀所的機(jī)遇和目標(biāo)。
通過(guò)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(guó)錫根大學(xué)在金剛石薄膜傳感技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合開(kāi)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(cè)試及示范應(yīng)用。經(jīng)過(guò)4年研發(fā)攻關(guān)，近日，海儀所研制出國(guó)際首臺(tái)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(shí)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(jì)與制備、信號(hào)采集與處理電路設(shè)計(jì)及海洋傳感特性?xún)?yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，其測(cè)量精度達(dá)±0.005mS/cm，整體性能達(dá)到國(guó)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(huì)在風(fēng)云變幻的時(shí)代環(huán)境下受制于人。”在海洋功能薄膜材料制備實(shí)驗(yàn)室里，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(guó)海洋核心傳感材料和傳感器受制于人的局面，滿足我國(guó)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海水養(yǎng)殖與資源開(kāi)發(fā)、海洋國(guó)土安全保障等領(lǐng)域的技術(shù)需要。（青島日?qǐng)?bào)/觀海新聞?dòng)浾?李勛祥）
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