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喷给发动机的油,每一个颗粒怎么测量?研究了30年的他找到了精准方法
  • 发布日期:2020-05-28     信息来源:新材料在线      浏览次数:102
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      喷给发动机的油,每一颗粒怎么测量?研究了30年的他找到了精准方法

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      颗粒无小事,大约有70%的工业产品都与颗粒有关,而粒度、粒度分布以及粒形检测作为颗粒检测重要的分支,历来都是产学研界关注的焦点,相关仪器也应运而生。最近十余年,国内粒度检测类仪器不断推陈出新,行业热闹非凡。


      而有个人,他兼具粒度检测行业学者和企业家双重身份,作为企业家,他生产的仪器与进口激光粒度仪分庭礼抗;而作为学者,他的研究成果在行业内被高度关注。

      他就是张福根博士,他让我们看到,一个学者兼企业家的坚韧与追求;中国的高端仪器在30年里的进步与超越;中国实现复兴梦的底蕴与基础。

       

      应创业之潮下海,“要制造出世界领先的科学仪器”

       


      1987年的北京,天空像蓝宝石一样晴朗,中关村的“电子一条街”人潮汹涌,彼时正在天津大学攻读光学工程专业博士的张福根第一次来到这里时,如同其他刚步入社会的青年一样,激动得热血沸腾。
       

      上世纪80年代,受美国波士顿 128 号公路以及硅谷的影响,在北京中关村,一批批科技人员“下海” ,以四通、信通、京海、科海联想等为代表的一大批民营科技公司先后成立,中关村“电子一条街”初具规模。

      美国硅谷的创业故事在这里被广泛宣传。为了购买实验所需的光学和电子元件,经常往中关村跑的张福根,也被这种氛围感染,一个个科技公司崛起,硬生生地勾动着他躁动不安的心。

       

      张福根与激光粒度仪的缘分始于在天津大学读博时投师我国著名光学专家张以谟教授门下。他修的是光学工程,主攻的方向是电子散斑干涉,相关产品可用于材料应变、缺陷以及无损探伤的探测。

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       

      博士毕业后,张福根留在天津大学当老师,但当时他的月薪只有129块。张福根是农村出身,家里条件比较苦。有一次他父亲患病,家里连住院的100元费用都拿不出。“我希望能多赚点钱,改变这种艰难窘迫的境况。”

      在博士期间,张福根发现大学的科研成果真正投入生产应用的并不多。“很多有实用价值的成果,成果鉴定后就束之高阁,没有得到产业化。我觉得挺可惜的。”天津大学的激光粒度仪项目就是这样一个例子,1987年通过了科技部的技术鉴定,实用化的样机已经被研发出来。而当时进口激光粒度仪价格高昂,天津大学的内燃机研究所购买一台就花了40万元,这在当时是个天文数字。这个情况深深刺激了张福根。

      虽然是一名科研人员,但张福根身上有一种身体力行、勇往直前的性格,“我想改善家里人的生活,我想让好的科研产业化,想造出世界先进的科学仪器。”他用行动实现了他这些愿望。

      “要制造出世界领先的科学仪器。这对有些人来说是一句大话,对我来说则是毕生为之奋斗的事业,而激光粒度仪就是我选择的具体产品。”还在研究生时期,他就想好了未来公司的名称,叫“欧美克”。这是光学(Optics)、机械(Mechanics)、电子(Electronics)和计算机(Computer)的英文缩写OMEC的英译,中文蕴含着“超欧克美”的雄心。为了寻找投资,他在天津托各路朋友,接洽“有钱人”,未果。1990年,张福根果断放弃了体面的大学教师工作,来到了珠海经济特区,继续寻找投资人。

      时至今日,已成为业内举足轻重的前辈的张福根,对于当时创业初期的困难,只轻描淡写地几句带过。但从“写过不下十份可行性报告,都是手抄的”“到了1993年才终于成立欧美克科技有限公司”这些字眼,可以看出激光粒度仪产业化道路的艰难。

      度过困难期后,欧美克迅速成长为业内的一面旗帜。2010年,欧美克公司转让给思百吉公司(英国马尔文仪器的母公司)时,已是全世界销量最大的粒度仪公司

      迄今为止,张福根已在粒度检测行业里前行了三十年,三十年的风起云涌,我们听得入神,可那也只是一个过去的精彩故事。对张福根而言,岁月里有荣光也有挫折,但信念犹在,壮心不已。

       

      拨开重重迷雾,找寻激光粒度仪测试异常的“真凶”

       


      尽管成了企业家,但张福根对科研的热情丝毫不减,他一直游走于企业家和学者两条小径之间,办公室墙壁上的爱因斯坦画像也在提醒人们,这是一位真正热爱科学,追求真理之人。

      作为欧美克公司的创始人,张福根对粒度检测行业有着深刻的了解,而在欧美克转让后,给马尔文仪器有限公司做顾问的经历也消除了他对国外仪器的神秘感

      目前,市面上的粒度仪有动态光散射纳米粒度仪,激光粒度仪,电阻法颗粒计数器和图像粒度仪等,目前应用最广泛的是激光粒度仪。它标称能实现20纳米到3500微米颗粒的全覆盖,能测量各种粒径的固体粉末、浆料、乳液、气泡、喷雾中的颗粒,涉及化学、制药、食品、新能源、建材、动力等工业领域并发挥着越来越大的作用。

      由于光的波动性,光通过小孔(或者遇到“颗粒”)会发生衍射,明暗相间的条纹衍射图样,条纹间距随小孔尺寸的减少而变大。大约有84%的光能量集中在中央亮斑,其余16%的光能量分布在各级明环上。衍射图样的中心区域有最大的亮斑,称为爱里斑。激光粒度仪就是建立在“颗粒越大,散射光斑(爱里斑)越小”这一物理现象之上的。这一现象使得爱里斑的尺寸与颗粒大小呈现一一对应关系。

      尽管第一台激光粒度仪诞生至今已有40多年,业内普遍认为,激光粒度仪的物理理论已经相当成熟,但是长期以来,检测人员发现时而会有异常结果出现。国外更高端的激光粒度仪也毫不例外地遇到同样的问题。

      张福根对此一直耿耿于怀。2011年,离开了欧美克后,他受聘天津大学兼职教授,指导博士和硕士研究生开展光散射理论基础研究,并带领学生一起研究粒度仪行业一直悬而未决的难题。

      经过深入研究,张福根他们发现,实际上并不是所有粒径都是颗粒越小爱里斑越大,有时候也会有颗粒越小爱里斑也越小的现象,他们把它称为爱里斑反常现象(ACAD)。

      在出现ACDC现象的粒径区域,激光粒度仪的测量就面临着同一尺寸的散射光斑对应2-3种不同粒径的情况,这种反常变化正是导致测试结果异常的“真凶”。

      张福根自豪地说:“(ACAD现象)由我们最先发现并且系统研究的,除了我们以外,其他同行都没有从根本上解决这个问题。

      这个发现公布后,在学术界引起高度关注。一直以来,激光粒度仪的测量结果比较驳杂,难以交叉对比。不同激光粒度仪测试结果不一样,更是成为长期困扰粉体检测人员的老大难问题。目前国外流行的仪器也注意到仪器存在缺陷,为了弥补这个缺陷,就对结果进行一定修饰,人为地在颗粒的折射率上给它加上虚部,也就是一个吸收系数,但不同设备商之间的修饰方法不同,就会导致结果存在差异。

      张福根他们的研究成果,从根本上找到了造成爱里斑反常现象的机理,并且研发出统一的反演算法,提出独特的有针对性的技术方案解决,从而保证了测量数据的真实性。

      这是粒度仪发展史上值得记载的一笔,推动了整个颗粒行业的技术进步。

      除了爱里斑反常现象,张福根还带领学生解决了全反射的盲区问题,回答了激光粒度仪测量上限的问题等等。

      从大学老师到成功企业家再到业内具有影响力的前辈,张福根正在努力攀爬更多的高峰,站在山顶上,他看到无边无际的天地,同时,也有越来越多的人在他的指引下,走出迷雾。

       

      再度重出江湖,以真理解决行业痛点问题

       


      2018年,张福根参加了4月5-6日英国伦敦举行的ISO/TC24/SC4国际年会,并在会议上作学术报告。

      这个国际标准化会议并非学术会议,张福根所面对的也并非都是业界学者,代表们更多代表的是企业,他们关心的是企业利益。他们对本领域的重大理论发现似乎没有更多的兴趣,他们更注重各自的话语权。

      这从侧面反映出中国激光粒度仪国际化的艰难。这也是张福根重出江湖,再创立珠海真理光学仪器有限公司的初衷。

      彼时,进口仪器在中国市场占有率很高,中国用户普遍对其有一种迷信的心理,总觉得国外仪器的结果是对的。而国外激光粒度仪发展了几十年,用户在研发过程或者生产过程中形成了长期的数据积累,一旦换一个仪器,与历史数据对应不上,就可能保证不了后面生产的连续性。因此用户对于新的理论也兴趣不大。

      处事严谨、精益求精的张福根决定为此再次出山,“我们不仅要指出这个问题,更重要的是我们要为用户解决控制或解决这些问题。”

      2015年,张福根教授成为真理光学的掌舵人,带着他团队新研发的LT3600激光粒度仪回来了。这款仪器的综合性能完全可媲美国外进口产品,甚至超越了他们,它包含了多项突破性技术成果,直指目前所谓国外先进粒度仪的痛点。“我们一开始就将自己定位成一个国际领先品牌。”

      新公司名字也很有意味,真理光学,“科学真理,引领仪器未来。”这意味着,张福根将致力于领衔着研发团队,以 “科学态度,工匠精神”制造仪器,挑战国外品牌的所谓的“权威”。

      “我们把自己的仪器定位在高端仪器,所以我们在国内的市场也是走高端路线。”真理光学主要涉及锂电、医药、航天航空、石墨烯等高端应用。如医药的吸入式给药,航空航天上要用的喷雾粒度仪和航天发动机等。

      除此之外,张福根一直致力于学术研究和行业的健康发展。他用梯形窗口解决了全反射盲区问题,并研发出环形样品池,带来更多崭新的应用。

      为了普及新的理论,更先进的仪器,让更多的用户走出激光测量仪的误区,他通过各种学术会议,给大家讲道理。让张福根欣慰的是,大家已经逐渐重视这方面的问题并积极探索解决的方案。

      作为全国颗粒表征与筛分检标准化技术委员会副主任委员,张福根一直为激光粒度仪技术标准的制定而奔走。

      现行的激光粒度仪标准是国际标准的等同采用,按原稿翻译过来直接采用,然而国际标准本身就是原理性的标准,并没有涉及具体技术细节,因此存在一定的局限性。而且,这几年来,中国品牌在性能上已超越国际品牌,国际标准已无法作为参考。“希望我们建立一个激光粒度仪的中国标准,更具体地定义一个产品,以规范激光粒度仪市场,同时促进行业水平的提高和健康发展。”

      三十年的岁月弹指一挥间,张福根曾经历过高光时刻,也曾隐退潜心专研,又强势归来,这其间的故事百转千回,但对于他来说,始终不变的是那颗赤子之心:追求真理,力争做最好的科学仪器,创造享誉世界的科学仪器民族品牌。

      中国的粒度仪行业也有得幸有张福根,让大家看到最美最广阔的景色。

       

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