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白洋:陶瓷可以做任何事情

来源:中国青年报 2014-7-18 陈卓

  白洋相信,“陶瓷可以做任何事情”。

  喝水的杯子、吃饭的碗,在日常生活中,我们对这个家族的成员并不陌生。而手机的线路板上、电脑的机身中,在更多看不见的地方,形态各异的陶瓷也无处不在。材料学专业出身的白洋,在十几年的时间里,从未停止和这个家族打交道。

  不过,这位毕业于清华大学的年轻科研人员记得,当他刚开始接触陶瓷时,这个材料体系里的贵族,正在遭遇一场危机。

  大概从2000年开始,手机、电脑等电子设备经历了迅速的发展。设备的频率越来越高,但是线路板上主要由陶瓷构成的片式电容,却没有办法提高到相应的频率,成了电子设备发展的瓶颈。

  “磁性材料如果不能做到高频的话,就必须用非磁性材料。”白洋说,“但这会造成元件的体积很大,没有办法让电子设备更轻薄。”

  在大学的最后一年,白洋的指导老师清华大学材料工程学院教授周济把研究高频电感元件的课题交给了他。

  “解决这个问题,国外实际已经有了一种新技术,改变片式电感结构为立体布线结构,来提高工作频率,但是我们学材料的,还是想从材料本身出发,看能不能解决这个问题。”白洋说。

  如果用国外改变布线结构的方法提高元件频率,国内的生产厂商必须购置新的生产线,而且还将在技术、工艺上受到国外知识产权的巨大限制,“各项成本都比较高”。

  当白洋开始实验时,高频电感元件的研究工作已经在进行中。但是,实验中的几种材料都不能完全满足要求。于是,在周济教授和中国工程院院士李龙土教授的指导下,白洋决定另辟蹊径,采用一种叫做平面六角软磁铁氧体的材料做电感元件。

  “虽然大家都说陶瓷可以做任何事情,但实现起来非常困难,从大的角度来说,所有的无机非金属材料都可以算成陶瓷,要在这么大的范围内找出合适的材料,就必须首先对所有材料的性质有非常熟悉的了解。”白洋说。

  如今已经是北京科技大学副教授的白洋说,自己当时在读大学时之所以选择材料专业,是因为相信“材料是21世纪的三大支柱产业之一”,但走进清华大学的校门之后,是这个学科的综合性吸引他继续走下去。

  “当时在学校里,材料系的人上课门类是最全的。”白洋回忆,“物理、化学、电子电工所有课都上,本身就是一种多学科的交叉”。

  而到了研究生阶段,需要确定研究方向时,白洋又一头扎进了陶瓷这类繁纷复杂的材料中去。

  当平面六角软磁铁氧体在实验室被证明可以提高电感的频率之后,这一成果迅速得到承认,在教育部当年组织的科技成果鉴定会上受到专家的好评,并因此获得2005年电子学会信息科技二等奖。随后,广东深圳的一家专门生产片式元器件的企业采用了这一实验室的成果,成为国际上仅有的两家可生产高频宽带抗电磁干扰片式磁珠的生产商。

  这时,白洋刚开始读研究生。

  完成了超高频电感元件的课题以后,白洋在导师的指导下,又瞄准一个新的目标——左手材料。

  与普通材料不同,左手材料是一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其中传播时,波矢、电场和磁场都符合左手特性,违反了物理学中经常被用来描述电场与磁场关系的右手特性。

  由于电磁波的这种特殊传播特性,左手材料可以实现许多传统材料无法实现的功能,因而成为近年来的研究热点。白洋告诉记者,左手材料甚至可以用来实现隐身。

  “左手材料的隐身功能和传统材料的隐身功能都不太一样,以前的隐身技术都是以吸收为主,超材料的隐身通过调整折射率,就是电磁波或光波照射到物体时绕过物体,从而实现隐身。”白洋说。

  和它古怪的名字一样,左手材料的外形同样古怪。由于传统的材料无法同时实现介电常数和磁导率同时为负的条件,因此上世纪60年代苏联科学家提出左手材料的设想以后,一直没有被真正实现。后来,人们虽然成功调试出左手材料,用的却是一个个金属线圈组成的复杂结构。

  “这种由复杂结构组成的左手材料,电磁特性依赖于结构而不是材料本身,我们就想能不能利用真正的材料去实现左手特性。”白洋说,当这一想法在实验室提出时,国际上都还没有开展过类似的工作。

  但是,创新工作背后的艰辛,远远超过一句话的描述。当实验室工作开始时,白洋和他的同事们,面临的是十几种各式各样需要反复试验的陶瓷。测量材料的介电常数和磁导率也面临巨大挑战。由于之前的测量方法大都认为两项参数为正值,因此必须设计出一套新的测量方法,筛选出正负值。为此,白洋所在的清华大学研究团队和来自浙江大学的一个团队一起进行实验。

  当材料筛选终于完成时,由于所设计的材料频段比较低,所以他们必须制造出庞大的样品。

  “从想法的提出,到材料的实现,再到测试都是比较新颖的。”白洋说,符合左手特性的材料终于在实验室诞生后,他和另一名同事激动得当天就抱着试验品,坐火车前往杭州。

  很快,这两块走出实验室的样品,在国际上也引起同行的关注。国际电磁学会主席,美国麻省理工大学教授孔金瓯说:“这为左手材料的物理本质提供了新的视角。”白洋告诉记者:“不管是有关陶瓷的评述,还是做左手材料的评述,都是要把我们这个成果单独说一说的。”

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2014-07-18 11:50:51]
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