白洋:陶瓷可以做任何事情

白洋相信,“陶瓷可以做任何事情”。

喝水的杯子、吃飯的碗,在日常生活中,我們對這個(gè)家族的成員并不陌生。而手機(jī)的線路板上、電腦的機(jī)身中,在更多看不見的地方,形態(tài)各異的陶瓷也無處不在。材料學(xué)專業(yè)出身的白洋,在十幾年的時(shí)間里,從未停止和這個(gè)家族打交道。

不過,這位畢業(yè)于清華大學(xué)的年輕科研人員記得,當(dāng)他剛開始接觸陶瓷時(shí),這個(gè)材料體系里的貴族,正在遭遇一場危機(jī)。

大概從2000年開始,手機(jī)、電腦等電子設(shè)備經(jīng)歷了迅速的發(fā)展。設(shè)備的頻率越來越高,但是線路板上主要由陶瓷構(gòu)成的片式電容,卻沒有辦法提高到相應(yīng)的頻率,成了電子設(shè)備發(fā)展的瓶頸。

“磁性材料如果不能做到高頻的話,就必須用非磁性材料!卑籽笳f,“但這會(huì)造成元件的體積很大,沒有辦法讓電子設(shè)備更輕薄。”

在大學(xué)的最后一年,白洋的指導(dǎo)老師清華大學(xué)材料工程學(xué)院教授周濟(jì)把研究高頻電感元件的課題交給了他。

“解決這個(gè)問題,國外實(shí)際已經(jīng)有了一種新技術(shù),改變片式電感結(jié)構(gòu)為立體布線結(jié)構(gòu),來提高工作頻率,但是我們學(xué)材料的,還是想從材料本身出發(fā),看能不能解決這個(gè)問題!卑籽笳f。

如果用國外改變布線結(jié)構(gòu)的方法提高元件頻率,國內(nèi)的生產(chǎn)廠商必須購置新的生產(chǎn)線,而且還將在技術(shù)、工藝上受到國外知識產(chǎn)權(quán)的巨大限制,“各項(xiàng)成本都比較高”。

當(dāng)白洋開始實(shí)驗(yàn)時(shí),高頻電感元件的研究工作已經(jīng)在進(jìn)行中。但是,實(shí)驗(yàn)中的幾種材料都不能完全滿足要求。于是,在周濟(jì)教授和中國工程院院士李龍土教授的指導(dǎo)下,白洋決定另辟蹊徑,采用一種叫做平面六角軟磁鐵氧體的材料做電感元件。

“雖然大家都說陶瓷可以做任何事情,但實(shí)現(xiàn)起來非常困難,從大的角度來說,所有的無機(jī)非金屬材料都可以算成陶瓷,要在這么大的范圍內(nèi)找出合適的材料,就必須首先對所有材料的性質(zhì)有非常熟悉的了解!卑籽笳f。

如今已經(jīng)是北京科技大學(xué)副教授的白洋說,自己當(dāng)時(shí)在讀大學(xué)時(shí)之所以選擇材料專業(yè),是因?yàn)橄嘈拧安牧鲜?1世紀(jì)的三大支柱產(chǎn)業(yè)之一”,但走進(jìn)清華大學(xué)的校門之后,是這個(gè)學(xué)科的綜合性吸引他繼續(xù)走下去。

“當(dāng)時(shí)在學(xué)校里,材料系的人上課門類是最全的!卑籽蠡貞,“物理、化學(xué)、電子電工所有課都上,本身就是一種多學(xué)科的交叉”。

而到了研究生階段,需要確定研究方向時(shí),白洋又一頭扎進(jìn)了陶瓷這類繁紛復(fù)雜的材料中去。

當(dāng)平面六角軟磁鐵氧體在實(shí)驗(yàn)室被證明可以提高電感的頻率之后,這一成果迅速得到承認(rèn),在教育部當(dāng)年組織的科技成果鑒定會(huì)上受到專家的好評,并因此獲得2005年電子學(xué)會(huì)信息科技二等獎(jiǎng)。隨后,廣東深圳的一家專門生產(chǎn)片式元器件的企業(yè)采用了這一實(shí)驗(yàn)室的成果,成為國際上僅有的兩家可生產(chǎn)高頻寬帶抗電磁干擾片式磁珠的生產(chǎn)商。

這時(shí),白洋剛開始讀研究生。

完成了超高頻電感元件的課題以后,白洋在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,又瞄準(zhǔn)一個(gè)新的目標(biāo)—左手材料。

與普通材料不同,左手材料是一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的材料。電磁波在其中傳播時(shí),波矢、電場和磁場都符合左手特性,違反了物理學(xué)中經(jīng)常被用來描述電場與磁場關(guān)系的右手特性。

由于電磁波的這種特殊傳播特性,左手材料可以實(shí)現(xiàn)許多傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的功能,因而成為近年來的研究熱點(diǎn)。白洋告訴記者,左手材料甚至可以用來實(shí)現(xiàn)隱身。

“左手材料的隱身功能和傳統(tǒng)材料的隱身功能都不太一樣,以前的隱身技術(shù)都是以吸收為主,超材料的隱身通過調(diào)整折射率,就是電磁波或光波照射到物體時(shí)繞過物體,從而實(shí)現(xiàn)隱身!卑籽笳f。

和它古怪的名字一樣,左手材料的外形同樣古怪。由于傳統(tǒng)的材料無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的條件,因此上世紀(jì)60年代蘇聯(lián)科學(xué)家提出左手材料的設(shè)想以后,一直沒有被真正實(shí)現(xiàn)。后來,人們雖然成功調(diào)試出左手材料,用的卻是一個(gè)個(gè)金屬線圈組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

“這種由復(fù)雜結(jié)構(gòu)組成的左手材料,電磁特性依賴于結(jié)構(gòu)而不是材料本身,我們就想能不能利用真正的材料去實(shí)現(xiàn)左手特性!卑籽笳f,當(dāng)這一想法在實(shí)驗(yàn)室提出時(shí),國際上都還沒有開展過類似的工作。

但是,創(chuàng)新工作背后的艱辛,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一句話的描述。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室工作開始時(shí),白洋和他的同事們,面臨的是十幾種各式各樣需要反復(fù)試驗(yàn)的陶瓷。測量材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率也面臨巨大挑戰(zhàn)。由于之前的測量方法大都認(rèn)為兩項(xiàng)參數(shù)為正值,因此必須設(shè)計(jì)出一套新的測量方法,篩選出正負(fù)值。為此,白洋所在的清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)和來自浙江大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)材料篩選終于完成時(shí),由于所設(shè)計(jì)的材料頻段比較低,所以他們必須制造出龐大的樣品。

“從想法的提出,到材料的實(shí)現(xiàn),再到測試都是比較新穎的!卑籽笳f,符合左手特性的材料終于在實(shí)驗(yàn)室誕生后,他和另一名同事激動(dòng)得當(dāng)天就抱著試驗(yàn)品,坐火車前往杭州。

很快,這兩塊走出實(shí)驗(yàn)室的樣品,在國際上也引起同行的關(guān)注。國際電磁學(xué)會(huì)主席,美國麻省理工大學(xué)教授孔金甌說:“這為左手材料的物理本質(zhì)提供了新的視角!卑籽蟾嬖V記者:“不管是有關(guān)陶瓷的評述,還是做左手材料的評述,都是要把我們這個(gè)成果單獨(dú)說一說的!