原创表面技术的多学科和跨学科视野

 2020-4-23 09:59  1725 26 26 分类: 管理文集: 创新思维

1、认清形势自强不息

随着历史车轮飞快转向2019，我国面临的国际环境在发生着深刻的变化。一个重要的事实是世界超级大国已经将我国作为其战略竟争对手，开始全面加以压制，其目标是阻滞中国科技进步，打乱中国制造由大转强的步伐，以防中国实现在新世纪的超越。

在此环境下，中国科技界和制造业保持定力，持续做好自己的事情，应该是对这种挑战的最好回应。

而作为回应，最重要的一点就是自强不息。保持改革开放以来坚持的引进、学习和创新的精神，站在科技发展的基础和前沿，不断进取，就一定可以完成由大转强的目标。

科学没有国界，这不以某国和某人的意志为转移。将科学转化为生产力，这涉及技术与工艺，是存在保密或专利壁垒的。但是，只要保持在科学上的实事求是和钻研学习的精神，技术与工艺上的创新就具有广泛空间和无限潜力。

当信息化、数字化时代和未来世界的预言提出时，中国还刚刚处在改革开放的初期，勤劳聪明的中国人民抓住机遇，在学习和领会现代科学技术的基础上，以创新精神，开始实现超越。

现在我国在数字化技术和互联网技术的应用方面已经达至世界领先地位，正是在科学原理基础上大胆创新的结果。而移动通信第五代技术（5G）的领先地位，也已经确立。航天技术的进步，则以月球车在月球背面软着陆成功而显示出实力。所有这些科技进步，都有表面技术的支持，增强着我们进一步做强的信心。

2、环境变量的增加需要强大的表面技术

随着将备的使用环境的变化，一些新的环境变量成为装备必须应对的参数。极端气候、极端环境、极端海洋环境、极端极地环境、极端太空环境等等，都成为现代装备需要面对的新常态。原来属于材料表面处理的边界状态的课题，正在成为常规课题。这与我国现代工业发展和国力发展是相适应的。强大的现代制造，需要强大的表面处理技术与表面工程制造能力。

以这次在月球背面软着陆成功的嫦娥四号为例：1月30日20时39分，嫦娥四号着陆器接受光照自主唤醒。此前，玉兔二号巡视器于1月29日20时许完成自主唤醒。两器在月球背面成功经受极低温环境考验，根据太阳高度角变化择机自主退出“月夜休眠模式”，关键设备按预定程序相继通电开机，安全度过首个月夜。此外，着陆器上配置的同位素温差电池为月夜温度采集器顺利供电，保障该采集器于测点位置成功监测第一月夜温度变化情况，我国探月工程首次获取月夜温度探测数据。

实现在月球背面的自主软着陆已经是一项重要的系统工程，中国开创了人类首次在月球，背面的软着陆成功，这已经非常引世界注目。其实更重要的一个技术关键，是在成功着陆后，如何在月球严酷的环境中生存的问题。这就是在极寒月夜时期休眠后如何苏醒并重新工作的问题。现在，这个关键问题已经成功解决，从苏醒的两器传回的信息得到了完美的印证。

实现这个睡眠和苏醒的过程，说起来很简单，实现起来需要多学科的支持。月夜的环境低温是-180℃，而月球工程装备的设计工作低温只有-50℃。也说是说在休眠期仍然需要有电池为装备提供热能，装备维持在-50℃的状态。否则在极低温度下会造成装备损坏而无法唤醒。由于航天器载荷的限制，不可能携带重量大的备用电池，而月夜又没有太阳能可供利用，采用高性能的同位素温差电池就是一项可行的选择。而所谓同位素温差电池，就是采用钚释放的α射线和β射线的能量转换为电能，从而为航天器提供恶劣环境的特殊供电需求。但是，很显然，核能电池存在核安全问题，对于无人航天装备是可行的，而对于载人航天装备，则存在一定风险，开发新的高能电源，仍然是重要的课题。同时，开发更耐极端低温的材料和表面技术，也是一个持续的课题。将装备的耐低温性能进一步提升，使而低温参数向更低的温度进展，就为装备的极端环境生存能力提供了新的保障。

温度只是环境参数中因素之一，还有更多的参数都需要有提升的空间，才能适应现代制造代强化的系统目标。

3、多学科和跨学科视野

表面工程和表面技术本身就是多学科和跨学科的领域。但是，具体到某项表面技术，又显得非常专业和有一定局限性。从事具体表面技术专业的人员，在本专业领域有理论支持和经验积累，但不一定具备多学科和跨学科的视野。这多少会影响本专业的深化和拓展，在现代制造要求越来越高的时代，增强多学科知识学习和进行跨学科交流和借鉴已经成为表面技术持续发展的现实需要。

这可以从三个方面加以说明。

一个是基础理论方面。传统的表面技术理论包括材料学、腐蚀与防护学、物理化学（电化学）、表面化学等等。这些学科已经有多年的积累，沉淀在了学科教材和大学教育的体系中，专业人士都具备这些学科的素养。但是，在实际科研与工作中，遇到的总是从书本上根本就找不到现存答案的问题，因为理论往往是落后于实践的。同时一些新观念和新的理论探索并不能及时在专业领域得到响应，这就要求专业人员提高自身的跨学科学习和探索精神，发挥创新断维，用转换角度的方式面对难题和课题。理论上的突破或不受限于传统理论约束，对于实现技术上的突破具有重要推动作用。这是一种理想状态，但确实存在一定难度。只要结果是好的，即使是奇思妙想，不合“常理”，也应该坚持，然后从中找出规律，或上升为理论。

作为一种思路，以更微观的物质结构观来考察表面过程与材料的关系，将是有益的。纳米材料概念已经应用有十多年了，在表面技术领域也产生出一些新的工艺，但是这一概念的活用还应该有很大空间。更进一步，从原子-分子再组装的角度，从量子力学的角度，还可以更深度的加深对材料与表面过程的理解，从而在工艺上有更宽泛的思路和选择。这是可以肯定的理论方向。好在现代微观观测手段正在不断增强中，研究的手段的进步在支持更微观的表面技术研究。

另一个是其他学科的技术进展的借鉴和综合。表面技术与材料有极密切关系。而材料对于表面技术分为两个层面，一个是需要表面技术支持的材料，这是表面技术存在的前提，“皮之不存，毛将焉附”。这类材料也就是表面技术中常说的基体材料。这类材料已经从原来的金属材料扩展到非金属材料、复合材料、生物材料等等。因此，材料学科的所有进展，都是表面技术从业者应该关注的。因为，基体新材料的出现，意味着新表面处理技术需要的出现。不识新材料的性能特点，在其表面进行表面处理无从谈起。针对新材料，需要新的表面处理技术，从而推动表面技术进步，这是一种必然的互动过程。以塑料电镀为例，过去在金属上电镀，已经有完整的体系和配套工程，在塑料应用越来越广泛后，在塑料上电镀就一度成为新课题。而现在，塑料电镀已经是非常成熟的电镀加工技术，在汽车、家电、洁具等众多行业已经大量采用。包括手机和5G基站等现代通信装备，都已经采用非金属电镀技术，成为现代制造中的重要表面加工工艺。

现在，轻金属、复合材料、新型合金等在现代制造中都开始大量采用，这些材料的表面处理，就都是需要具备跨学科视野来加以解决的课题。

对于表面处理技术，新材料的另一个含义是可以用于表面技术工艺的原材料。例如新的表面活性材料、新的纳米材料、新的涂料、新的化学品、中间体等等。这些显然是有利于表面技术进步的可选用材料，也需要具备跨学科的思维去探索应用，拓展其价值。

第三个方面是市场的需要。这是推动技术进步的“无形的手”。

以快速增长的人工智能产品为例。功能性材料的应用会越来越多，而许多产品只需要表面具有功能性，而并不需要整个构件都采用高性能材料。这是市场成本规律的一个最为常见的限定，不可以不计成本地开发产品。这种市场需要对于开发替代基体材料的表面材料技术和功能性表面处理都提出了极有价值的应用课题。前面提到的塑料电镀就是以塑料替代金属的一个典型的例子。塑料电镀配件的大量采用，对降低金属材料成本、减轻汽车等交通工具的自重，提高成型加工效率等，都具有重要意义。

4、创新思维是永恒的主题

提倡多学科和跨学科视野，其实是围绕着一个主题的。这个主题就是创新思维。这应该说是一个永恒的主题。视野开阔，易于联想，学科交叉，撞出创意。

说起这个话题，有时会觉得是赶时髦，是套话。但是，所有从事科学技术事业的人士都懂得，跟随很难实现突破。尽管跟随别人的技术没有风险，但也没有成就。并且，有很多时候是想跟随都难以做到的。当条件不具备时，一种材料、一个装备，都会成为影响课题的瓶颈。不动脑筋想办法替代，连跟随都谈不上。而一旦动脑筋想办法，出现创新思维，结果反而出现了超越，这类例子在新中国成立以来的工业发展过程中是屡见不鲜的。而具有广阔的视野，是实现创新的一个重要基础和储备。

现在，我们又到了这样一个节点，新形势下的技术封锁又开始出现，这看起来是坏事，其实是好事。封锁个十年八年，我们反而会出现更大超越。当年国际空间站不让中国参与，逼得中国上自己的航天项目，结果形成了中国的航天系列产品和中国的空间站计划。一个完全独立自主的中国太空规划已经形成并在积极实施中，其目标已经不只是月球、而是包括火星和太阳系外和宇宙星际空间的探索，令人振奋和充满期待。这就是被逼出来的成果。