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      為觀測導彈飛行制造“眼睛”的人

      ——記壓電學和傳感技術領域著名專家張福學

      發布時間:2020-04-20 作者:北京信息科技大學黨委宣傳部 來源:《北京教育》雜志

      張福學(1939年—2016年),云南宣威人,生前為北京信息科技大學教授,博士生導師,我國壓電學的主要開拓者,為我國壓電學和傳感技術的發展作出了重要貢獻。發明了“銻錳酸鉛(PMS)壓電陶瓷”及其“三軸壓電晶體角速率傳感器”,并實現了產業化;發現了“氣體擺現象”,建立了氣體擺理論,并發明了“氣體擺慣性器件系列”;發明了“動基座加速度和水平姿態的敏感技術”,建立了壓電石英加速度計和水平姿態傳感器產業化基地。堅守科研崗位50余年,先后獲得科學技術獎國家級7項、省部級33項,申請和獲國內外發明專利49項(國外17項);發表論文351篇,著作22部,其中“壓電學”和“機器人技術及其應用”分別獲全國優秀科技圖書獎和中國圖書獎。先后榮獲“全國勞動模范”“全國先進科技工作者” “國家級有突出貢獻專家”“北京市優秀共產黨員”“北京信息科技大學勤信人物”等稱號,享受國務院政府特殊津貼。

      2016年5月18日,北京信息科技大學首屆勤信人物(團隊)頒獎儀式隆重舉行,現場500余名師生懷著崇敬的心情聆聽了張福學獲評“勤信人物”稱號的頒獎辭:“四十五年前,你在深山里探索;古稀之年,你在繁華中堅守。燈光下,你晝夜攻關,換來捷音頻傳;實驗室里,你十年磨劍,國家獎梅開數度。堅守的初心,伴隨探索的腳步,長跑一輩子,永不停歇。”就在頒獎儀式前不久,他與世長辭,離開了他鐘愛的實驗室。但是,他幾十年如一日在實驗室里忙碌的身影,師生們依然歷歷在目;他不忘初心、服務祖國、潛心問道、勇攀高峰的科研精神,將永遠散發出馥郁的芳香。

      大山里走出的放牛娃

      1939年,張福學出生于云南省宣威縣紅橋鎮老鴉村一個貧苦的農民家庭,新中國成立前他家長期遭受地主的壓迫和盤剝。戰亂的歲月,貧困的家庭,張福學本沒有讀書的機會,但母親還是咬牙送他入了學堂。張福學的啟蒙學校是鄰村廢棄的寺廟改建的小學,四個年級的學生擠在一個教室。教室里是殘缺的佛像,教室外是村民暫厝的棺材。即便學校條件異常艱苦,但當時能受教育的也大都是地主的孩子,張福學在其中飽嘗排擠,但這也讓他更加珍惜來之不易的學習機會。通常一年級教師不講課時,他就安靜地聽高年級的課程。憑借勤奮聰穎,張福學三年級便跳級考取縣城最好的高小。高小畢業后,家中再沒錢讓他繼續讀書,張福學不得不輟學給富農當放牛娃。牛兒吃草的時候,他就躺在草地上,望著變幻莫測的白云,想著在學堂讀書的日子。這樣大約過了半年,1951年夏天,云南解放。一次趕集時路過書攤,張福學意外地看到了宣威中學正在招生的消息,最重要的是還有助學金。他欣喜若狂,顧不得趕集,便直接跑去報名,最終以優秀成績考取了這所縣城最好的中學。復學后的張福學更加刻苦努力,1954年,考入曲靖專區最好的中學—曲靖中學。1957年7月,張福學順利考入云南大學物理系。在大學期間,張福學除了學好專業知識,還提升了思想覺悟,獲得“‘五四’青年突擊手”稱號,加入了中國共產黨。

      1961年,大學畢業后,張福學被分配到國防部第十研究院第十一研究所。這一年,張福學22歲。他帶著滿腔豪情來到北京,開始了壓電材料的研究。

      新型壓電材料的發明者

      在研究所,張福學刻苦鉆研壓電理論和無線電陶瓷材料與器件專業知識,密切關注美國、日本和蘇聯的最新研究成果。由于語言不通極大地阻礙了他對國外相關著作的研究,他便開始自學外國語。他以前學習的是俄語,通過長期不懈學習,又掌握了英語、日語、法語、德語四門語言,成為用努力書寫奇跡的傳奇人物,贏得了同事們的敬佩。他閱讀了大量有關無線電陶瓷材料的技術資料,總結和分析國內外壓電陶瓷的配方,感到我國現用的配方復雜又不經濟,每年要耗費大量外匯進口貴重金屬。由此他試想,如果能利用我國儲量豐富的某些元素研制出性能良好的壓電材料,那該多好啊!于是他向黨支部提出了自己的建議,上級領導熱情地支持他,并指定他擔任課題組長。他從浩瀚如海的技術書庫中,翻譯了近百萬字的資料,寫下了幾十萬字的綜述。他連續七年放棄探親假,把時間全用在科研上面。

      張福學運用元素周期表歸納總結了當時一般壓電陶瓷通過取代元素(堿土金屬)和改性元素(過渡元素)提高性能的規律,與組里的同志經過一百多次試驗,終于研制成功了性能良好的不同于美國專利的鈮鎂酸鉛壓電陶瓷。鈮鎂酸鉛壓電陶瓷性能好,工藝穩定,是壓電陶瓷濾波器和水聲換能器的良好材料,突破了一般壓電陶瓷機械品質因素高則機電耦合系數必然低的“常規”,這在當時屬國際首創。鈮鎂酸鉛壓電陶瓷在國內得到廣泛應用,獲得部委級科技進步二等獎和國家發明三等獎,其相關器件獲國家優質產品銀質獎。張福學研制的BaTi03、PZT、PMS壓電陶瓷和0-3型、l-3型、撥式結構壓電復合材料及對人體壓電性的研究,先后獲中國、美國、英國發明專利9項,省部級科技進步獎6項。

      為觀測導彈飛行制造“眼睛”的人

      20世紀70年代,我國航天事業中機械陀螺體積大,可靠性差,對導彈的研發來說是個很大的困難。1970年,出于戰略考慮,錢學森高瞻遠矚地提出了導彈陀螺小型化的課題。張福學因提出利用壓電效應實現壓電慣性器件的論證而得到上級的重視,被委任研發壓電陀螺。那時,全國數以萬計的工業企業科技精英從祖國各地來到四川、云貴、青海、甘肅等地,開始艱苦卓絕的“大三線”建設,張福學也是其中一員,他來到了四川永川國防科工委1426所。

      實驗室在大山環抱之中,為了把科研工作搞上去,張福學和同事們起早貪黑,廢寢忘食,用土坯自制了土鍛燒爐、土電火花切割器。很快地,他們研制出了第一個壓電陀螺的樣品,可是送到北京測試卻因質量問題被打了回來。科研攻關哪有如此容易?張福學和全組同志繼續查資料、摸索試驗,做出了一種應用于壓電陀螺的混合集成電路。對于這個集成電路,張福學傾注了很多心血,設計得非常嚴謹。這個集成電路得到大家的贊譽,所有人都欣喜地以為要成功了。然而,在測試的時候,最后一個指標卻出現了異常,測試熒光屏上展現出一群“奔騰的野馬”,混亂的雜波頓時淹沒了有規律的訊號。這時一盆盆冷水潑來,甚至有人說,這是壓電陀螺的“不治之癥”。張福學沒有泄氣,重振旗鼓組建了攻堅組。他經常工作到深夜,甚至接連幾個晝夜不睡覺,睡夢中出現的也是屏幕上那一片奔騰的野馬。他這樣拼命工作,身體越來越差,有一天體力不支暈倒在廁所里。當他蘇醒過來,單位黨委書記關心地對他說:“年輕人,不要著急,身體還是第一位的!”張福學嘴里答應著,心里還惦記著實驗。隔了幾天,他又暈倒在實驗室里,同志們把他抬到了衛生所……歷時5年,經過100余次實驗,張福學終于找出了壓電陀螺最后一個指標測試出現異常狀態的癥結,治愈了所謂的“不治之癥”。他們自豪地宣布:中國的壓電陀螺誕生!1974年,壓電陀螺提供給“東風4號”和“東風5號”導彈發射試驗,結果證明完全可用。雖然它不屬于高精度陀螺,但其率先在國內實現了陀螺固體化。為此,張福學等受到國防科工委和中央軍委的嘉獎。如今,我國國防領域的型號武器、艦船、坦克等的穩定系統,都在使用壓電陀螺。壓電陀螺的制造成功,填補了我國陀螺生產的一項空白,在我國陀螺發展史上是一次重大變革。人們把制造壓電陀螺的人親切地稱作為觀測導彈飛行裝上“眼睛”的人。

      在上述研究成果的基礎上,張福學主編了《壓電學》,編著了《壓電晶體陀螺》和《壓電鐵電應用》等。張福學推動了我國壓電學的發展,被譽為我國壓電學的主要開拓者。

      “氣體擺”理論的創立者

      1985年,張福學調回北京工作,來到原北京信息工程學院組建的傳感技術研究中心,研究新型慣性器件。這時他已經45歲,發明創造的最佳年華已過。但張福學認為,年輕人精力充沛,年長人經驗豐富,一樣可以發明創造。

      一次出差的過程中,張福學乘坐火車,滿腦子想的是壓電氣流陀螺。鄰座的乘客一路不停地噴云吐霧,他突然發現,無論吸煙者是躺是站,煙霧總是向上的!他聯想到了蒸汽。回到實驗室,他在一個密閉的腔體里進行自然氣體浮升力的實驗。實驗證實了他最初的發現:當密閉腔傾斜時,在浮升力的驅動下,被加熱的氣體依然垂直向上流動。這就是說自然氣體和固體、液體一樣,也具有“擺”的特性。經大量實驗和理論論證,張福學建立了“氣體擺”理論。對于“氣體擺”理論,同行有不同觀點,有的專家甚至反對。但是,經過多次鑒定和評審,“氣體擺”理論最終還是得到國內外認可。

      “氣體擺”理論形成了慣性技術的一門新學科分支—氣體擺慣性技術。這項研究得到國家自然科學基金和“863計劃”等近千萬元資助。在“氣體擺”理論指導下發明的一維、二維和全方位氣體擺水平姿態傳感器,已在艦船和機器人的穩定系統中應用。日本和美國在國際會議上見到張福學關于氣體擺傳感器的報道后立即仿制,美國1995年亦申請了專利,但內容幾乎和張福學的專利一樣,而時間則晚了3年。

      科技工作者的榜樣

      傳感器北京市重點實驗室的前身就是張福學在1985年到北京信息工程學院組建的傳感技術研究中心。20世紀80年代,實驗室剛建立時條件十分有限,場地緊張,張福學和同事們索性在宿舍搞研究;沒有錢購買實驗設備,他們就到航空航天部去做試驗;為了節省開支,大家還來到兵器工業總公司的三線廠去協作。在電科院主持的“壓電射流速率傳感器”課題論證會上,有人問張福學:“國外研制一個產品需要幾百萬美元,你為什么只要14萬元?”張福學卻反問:“只要14萬元能辦成的事,我為什么要那么多錢?”事實證明,在張福學的帶領下,大家憑借勤奮刻苦、艱苦創業的精神,用較少的錢完成了別人要很多錢才能辦的事。

      鑒于張福學在科研方面的成就和貢獻,國家授予張福學“全國科技先進工作者”“全國勞動模范”“國家級有突出貢獻專家”等榮譽稱號,他先后7次到人民大會堂受獎。因其學術成就突出,對科技進步貢獻巨大,被錢偉長院士主編的國家重點圖書出版規劃項目《20世紀中國知名科學家學術成就概覽》物理學卷收錄。在一次發言中,張福學認為做好科研工作要做到以下四點:第一,勤奮踏實。對待工作,張福學投入的時間是常人的2倍甚至3倍。他每天工作10余個小時,節假日和星期天照常工作。他筆耕不輟,專著23部,主編和編著5,000多萬字,幾乎都是加班加點完成的。第二,目標始終如一。張福學多次放棄升遷的機會,堅守科研第一線50多年,終于成為壓電學和傳感器技術領域的知名專家。第三,創新意識,敢于做前人沒有做過的事。張福學的每項發明都是從大處著眼、小處著手,在大量實驗的基礎上,經過理論論證和實驗驗證,最終取得成果。第四,毅力和堅持,不追求短期出成果。張福學第一項成果經歷15年獲國家發明獎,第二項成果經歷14年獲國家發明獎,第三項和第四項成果均經歷13年才獲國家發明獎。

      在科技工作中,張福學的言行給研究生做出了榜樣。他培養碩士研究生31人,博士研究生18人,其中6人獲優秀博士論文,有的被國家教委和國務院學位委員會評為“作出突出貢獻的中國博士學位獲得者”,有的獲評“跨世紀優秀人才獎”。他的學生遍布教育、科研和企業等領域,其中有全國優秀教師、博士生導師、教授、研究員和企業家。

      斯人已逝,精神永存。張福學的人生故事和科研精神,猶如茫茫海面上的一座燈塔,燭照后輩,激勵他們為祖國的科研事業不懈奮斗。(作者:北京信息科技大學黨委宣傳部)

      《北京教育》雜志

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