實習記者?孫瑜

2022年11月底，伴隨著神舟十五號升空，耐輻照石英玻璃又一次踏上了太空之旅。

(資料圖片僅供參考)

乍眼一看，耐輻照石英玻璃和普通光學玻璃并沒有什么分別。但在宇宙射線照射下，普通光學玻璃會變黑，而耐輻照石英玻璃依舊透明純凈，能為航天器透過重要的光信號。

“航天器靠光信號的變化來調(diào)整運行姿態(tài)，耐輻照石英玻璃就像航天器的眼睛，確保航天器在茫茫宇宙中不會迷失方向。”中國建筑材料科學研究總院有限公司（以下簡稱中國建材總院）北京分公司副總經(jīng)理、總工程師向在奎日前告訴科技日報記者。

面向國家深空探測需求，老中青三代科技工作者攻堅克難三十載，研制耐輻照石英玻璃，使其“從無到有”“從有到強”，助力中國航天器遨游宇宙、邁向深空。

解決“不可能解決”的矛盾

1987年，航天領(lǐng)域相關(guān)單位找到中國建材總院，提出需要一款經(jīng)宇宙射線輻照不變黑并能過濾紫外線的特殊石英玻璃。時任中國建材總院國家石英玻璃質(zhì)監(jiān)中心主任的顧真安，接下了這塊難啃的“硬骨頭”。

“當時，耐輻照石英玻璃需要解決的是一個‘不可能解決’的矛盾。”講起這段往事，向在奎解釋說，“石英玻璃需要摻雜特定元素以加強玻璃的性能，達到濾紫外線的目的；而耐輻照又需要玻璃具有極高的純度，盡量不要有雜質(zhì)。”

曾任顧真安副手的陳文彩如今已85歲高齡了。她回憶，當時，大家也不相信能解決這個矛盾。“但顧真安覺得，外國人能做出來，我們就一定做得出來。”

接到任務(wù)后，顧真安和陳文彩一頭鉆進實驗室研究所需元素性能，下“笨功夫”不斷實驗。

“玻璃配方是第一步，也是技術(shù)難點。顧真安照著元素周期表，將所有相關(guān)元素在石英玻璃中的應(yīng)用與變化都分析研究了一遍，最終找出了能濾紫外線、調(diào)節(jié)玻璃純度的關(guān)鍵元素及配比。”陳文彩說。

當時，顧真安的實驗室光線不好，桌椅板凳都很破舊，休息的床也是由門板拼成的。他整天待在實驗室里，反復(fù)研究元素的躍遷光譜、能級與吸收。記錄實驗數(shù)據(jù)、畫著實驗圖表的筆記本，疊成了厚厚的一摞。

功夫不負有心人。1993年，顧真安團隊終于研制出耐輻照石英玻璃。1996年，耐輻照石英玻璃獲得國家科技進步二等獎。1997年，顧真安當選中國工程院院士，也是中國石英玻璃領(lǐng)域首位院士。

讓玻璃“站著”變大變長

1998年，航天相關(guān)單位再次找到中國建材總院，提出了新的材料需求——遙感衛(wèi)星的窗口材料需要300毫米口徑的高純耐輻照石英玻璃。

此前的產(chǎn)品難以滿足這一需求，研制新的耐輻照石英玻璃勢在必行。

這又是一個前所未有的挑戰(zhàn)。高純耐輻照石英玻璃的基礎(chǔ)是高純石英玻璃，當時，我國普遍采用“臥式”合成沉積工藝制備高純石英玻璃，口徑只能做到200毫米左右，且無法滿足高光學性能要求。

科研人員大膽設(shè)想：改變工藝方式，把“臥式”變?yōu)椤傲⑹健保尣ＡА罢局弊兇笞冮L！

在行業(yè)對立式工藝持懷疑態(tài)度的情況下，顧真安與時任中國建材總院石英所（現(xiàn)為石英院）所長王玉芬，在上海棱光實業(yè)股份有限公司（以下簡稱上海棱光公司）爭取到了一塊“旮旯地”，帶領(lǐng)向在奎等一批技術(shù)人員搭建起我國第一座立式沉積爐。

向在奎回憶：“在上海棱光公司，我們只有一間實驗室，沒有原料自動供應(yīng)系統(tǒng)。四氯化硅這種刺鼻味道很強烈的原料，都是我們一桶一桶提到實驗室的。實驗線啟動后就‘不能停’，我們實行‘三班倒’，休息就在實驗室外的樓道。”

新的工藝路徑，意味著多個步驟需要“從頭再來”。自上而下的氣流如何保持穩(wěn)定流動？怎樣避免玻璃產(chǎn)生雜點和氣泡？面對問題，研究團隊不停地換法子試，直到一個個技術(shù)難點被攻克。

2001年，立式化學氣相沉積工藝走到了“考驗工藝穩(wěn)定性”的階段。這一年國慶節(jié)，王玉芬、向在奎等6人駐守在實驗室。四氯化硅反應(yīng)完后的二氧化硅顆粒，像煙霧一樣，自上往下噴到高溫靶材上，透亮的高純石英玻璃一層一層往上長。

“看著玻璃坨一點點往上長，我們都不舍得停掉實驗線。一直到實在做不下去了，才關(guān)掉它。”向在奎說。

2001年11月，喜訊傳來——320毫米口徑、重23公斤，第一個立式化學氣相沉積工藝制備的高純石英玻璃坨研制成功！

步入自動化智能化快車道

2012年，中國建材總院衢州高性能石英玻璃研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化基地正式投產(chǎn)運營。青年一代科研人員在這里不斷耕耘，耐輻照石英玻璃生產(chǎn)步入自動化、智能化的快車道。

此前，耐輻照石英玻璃的生產(chǎn)線離不開人工操作。例如，打坨環(huán)節(jié)需要人工調(diào)控氫氣、氧氣和四氯化硅的劑量。如今，生產(chǎn)線依靠氣和料的自動控制系統(tǒng)、智能反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動精確的劑量控制。

“通過自動化生產(chǎn)線打造的耐輻照石英玻璃，口徑更大，材質(zhì)更加均勻。”中國建材總院石英院新材料研究所所長邵竹鋒說。

不僅如此，耐輻照石英玻璃的性能也得到了大幅躍升。邵竹鋒介紹：“新一代耐輻照石英玻璃彌補了材料的微觀缺陷，硅氧網(wǎng)絡(luò)較以前更完整，強化了耐輻照性能。同時，具有強大的激光損傷閾值，拓展了深空應(yīng)用場景。”

近年來，耐輻照石英玻璃一次次飛向太空，為我國遙感衛(wèi)星、載人航天、探月探火等重大工程立下汗馬功勞。它就像透明純凈的眼睛，見證著我國從航天大國邁向航天強國的鏗鏘步伐。

黨的二十大報告指出，構(gòu)建新一代信息技術(shù)、人工智能、生物技術(shù)、新能源、新材料、高端裝備、綠色環(huán)保等一批新的增長引擎。

展望未來，向在奎滿懷信心地說：“在新一代青年科技人才的努力下，耐輻照石英玻璃將拓展特殊性能，利用綠色制造、節(jié)能環(huán)保的手段提質(zhì)升效，為我國深空探測事業(yè)貢獻新的力量！”

關(guān)鍵詞： 石英玻璃 中國建材