如果说,纳米材料是人类21世纪最重要的先进材料,那么,高性能薄膜就是21世纪新材料的重要组成部分。随着科技的进步,工业的发展,高性能微纳功能薄膜在健康防护、安全储能、绿色环保、战地急救等领域应用广泛且潜力巨大,其中高性能、大幅宽薄膜需求日益突出,在我国战略新兴产业中扮演着重要的角色。
厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院郑高峰教授,多年来,聚焦在高性能微纳功能薄膜制造理论、技术与装备。在微纳喷印精确控制与批量制造基础理论、关键技术与成套装备方面开展研究,实现了理论突破和技术创新,攻克了制约高性能微纳功能薄膜高效率、高品质制备核心痛点,取得了一系列创新性科研成果,产生了良好的经济与社会效益。为我国的高端材料的制备技术发展做出了卓越贡献。
创新突破瓶颈 驱动技术发展
进入21世纪,随着光学、医疗、电子等应用领域的器件微型化、功能化和集成化的发展趋势,越来越多的器件的核心设计都依赖于3D复杂微纳结构,目前,微纳3D打印已成为全球先进制造热点之一。在此领域,各行业对于高性能、大幅宽薄膜的需求愈加突出。
但是一直以来,微纳喷印成膜的制备技术存在一些瓶颈,导致在喷印过程中出现一些难题,比如,单通道微纳喷印成膜相对成熟,但制造效率相对较低;多通道微纳喷印成膜渴望突破高性能、高效率制造,但面临多通道制造强干扰、难控制瓶颈,成膜品质不稳定,制约产业应用。
据郑高峰介绍说,“微纳功能薄膜制备需要掺杂、高温、高压等多道工艺,流程复杂且材料与工艺兼容性差,难以持续稳定生产,同时膜上功能材料与特征结构相互干涉,严重限制薄膜品质的提升。”该瓶颈导致了同批次薄膜均匀性差、良品率低,不同批次薄膜品质波动大。针对于此,郑高峰提出了形性协同微纳喷印与微纳团簇同步修饰方法,掌握微观尺度多流场耦合原位调控机制,突破微纳薄膜大幅宽制备品质不均瓶颈,为高性能微纳功能薄膜大幅宽制备奠定基础。该方法的主要创新之处在于:他首次提出微能量聚焦调控机制,成功实现了微纳喷印过程的形性协同与微纳团簇的同步修饰。极大提高了材料和工艺兼容性,有效提升了抗扰性能,实现持续稳定生产,制造精度提升50%、良品率提升60%;为高性能微纳功能薄膜大幅宽高效率制备提供理论与方法基础。
此外,微纳喷印面临特征尺度小、力学敏感、运动速度快、变量监测困难等挑战,缺乏控制模型,依赖人工经验调节;特别是多通道微液滴或微射流的飞行与流变行为缺乏有效调控手段。该瓶颈导致大幅宽薄膜制备的可靠性和质量稳定性无法保障,是成套装备应用的难点。针对于此,郑高峰构建了多通道微纳喷印模糊化参数解耦模型,完成了多通道微纳喷印关键部件优化设计和多回路智能控制,开发了幅宽1.2m成套装备并实现高性能薄膜的持续稳定生产。该项工作创新之处在于:他提出多回路自适应模糊控制策略,突破多通道微纳喷印参数强耦合的难题,提升了多通道微纳喷印稳定射流的密度与生产效率;掌握了多通道微纳喷印能量场耦合作用机制和液体动态流变行为,完成了多通道微纳喷印关键部件优化设计和多回路智能控制系统开发,实现了大幅宽微纳功能薄膜微纳喷印装备的集成。品质稳定性提升60%、生产效率提升200%、人力资源节约50%。
另外,在微纳薄膜制备过程中,不同材料与不同结构的有序匹配集成,可实现微纳薄膜性能的调控,以满足不同应用的独特需求,但也对工艺提出了更高的要求。现有制备技术瓶颈易产生干涉破坏,难以满足微纳功能薄膜内部材料与结构匹配的控制需求。对此,郑高峰提出了立体功能薄膜制备策略,攻克了外流场约束薄膜制备关键技术,解决立体成膜强干涉难题,完成了健康防护、安全储能、绿色环保等领域微纳功能薄膜产品研发。该项技术主要创新工作在于:他引入外流场约束抑制成膜过程的干涉,开发了立体复合成膜工艺,实现了微纳薄膜内部不同材料、不同特征尺寸微纳结构空间分布的精确控制,实现微纳功能薄膜的大幅宽、高性能制备。在储能锂离子电池安全隔膜、高效生物医学防护膜、微纳均相离子交换膜取得核心创新成果,并获得了产业应用。
推动产业应用 筑梦科技强国
如果说科技是第一生产力,那么创新则是科技的灵魂,而实践则是能将这种生产力发扬光大的试炼场,实践是检验真理的唯一标准。多年来,郑高峰负责主持横向和纵向项目50余项,基于自己这些创新科研成果,2018年1月,他创办了厦门纳莱科技有限公司并担任董事长,经营范围包括新材料技术服务、工程和技术研究和试验发展、纳米材料制造、软件开发等等,其主营产品在安全储能、健康防护、污染治理与资源回收等领域具有明显的竞争优势。
目前,在郑高峰的带领下,研发团队攻坚克难、创新研发,在高性能薄膜产品上屡屡取得突破,研发制备了多种薄膜产品,如:储能锂离子电池安全隔膜,实现了核壳纳米纤维膜的批量化复合制造,完成了阻燃型电池隔膜产品的开发,隔膜产品在明火中15秒内不会燃烧,并保持90%以上的完整性;高效生物医学防护膜,构建了自生电过滤薄膜增强静电吸附性能,粉尘颗粒与细菌过滤效率优于99%,并集抗菌、除醛、抗紫外线和单向透湿等多种功能为一体,实现了人体健康的高效防护;微纳均相离子交换膜,基于多通道装备实现不同材料配比和梯度的智能调控,可满足不同种离子分离的使用需求,均相膜分离效率提升20%。
目前,纳莱科技被评为国家级高新技术企业、厦门市“双百计划”重点企业、厦门市“先进碳材料企业”重点企业,获得厦门市留学人员专项资金资助。公司所开发的微纳净水薄膜获评2020年中国•海峡创新项目成果交易会-优秀项目。相关产品经在中国铜业、中海油、紫金矿业、龙净环保、科华数据、兰钧新能源等重点企业中获得应用,新增产值超5亿元,现已成为国产微纳米薄膜领域名副其实的领跑者。
迄今,郑高峰现已发表了学术研究论文150余篇,第一发明人授权发明专利近40项;成果得到了美国国家科学院院士、工程院、艺术与科学学院、医学科学院四院院士John A. Rogers教授,新加坡工程院院士、美国医学与生物工程院院士、英国皇家工程院院士Seeram Ramakrishna教授,美国乔治亚理工学院夏幼南教授,中国科学院院士江雷教授,中国工程院院士、东华大学俞建勇教授,中国科学院院士、东华大学朱美芳教授,中国工程院院士、西安交通大学蒋庄德教授,以及长江学者特聘教授、华中科技大学尹周平教授等国内外知名专家的关注与肯定。并得到Nature Communication、Advanced Materials、Small、Nano Letters、Nanoscale等国际著名期刊论文的正面引用。
郑高峰也因先进的科研成果和突出的贡献屡获荣誉,入选福建省高层次人才、厦门市“双百计划”领军型创业人才。作为第一完成人获得中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖1项、福建省科学技术进步二等奖1项、厦门市科学技术进步二等奖1项。同时,郑高峰作为博士生导师,在教育方面也收获颇丰,于2015年首届全国高等学校青年教师电工学课程教学竞赛二等奖;2014年厦门大学第二届“我最喜爱的十位老师”。
创新是一个民族进步的灵魂,也是一个国家兴旺发达的不竭动力。但每一项创新技术的背后,都隐藏着一段鲜为人知的研发历程。付出了汗水加心血,才收获了成功加喜悦;付出了努力加拼搏,才收获了成果加喜悦。正是因为郑高峰近20年来的坚持不懈科研,努力开拓创新,终绽放科研之光。
“一丝而累,以至于寸;累寸不已,遂成丈匹”,没有人能轻易成功。郑高峰的成就,是他长期坚持探索、创新与实践的必然结果。未来,他将继续坚持研发,保持创新突破,取得更多科研成果,研发更先进薄膜产品,助力实现科技强国,迎来中国“突驾”“腾飞”的新时代。(文/王超)
