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科学推动精密研究 矢志助力中国制造

来源:  发布时间:2021-07-13

——记哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院副教授张赫

谢更好

 

 

从远古人类用敲击和研磨的方法制造出第一件石器工具开始,制造技术的进步就一直伴随着人类文明的进步。近些年来,随着科学技术的迅速发展和人民生活及国防建设的需要,各国都大力发展制造业。超精密制造作为尖端技术发展中不可缺少的关键加工手段,不论是军事工业,还是民用工业,都对其有着极大的需求。

在哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院副教授张赫看来,我国装备制造要由中低端向中高端迈进,首先就要解决制造质量问题,其核心关键是解决超精密制造能力问题。特别是近些年来,我国卫星、军工、医疗等诸多领域,都对精密超精密加工形成了强烈、稳定且规模化的需求;精密超精密制造处于价值链高端,发展精密超精密制造是破解其他国家对我国国产重大装备关键技术“卡脖子”的有力手段。

在这一背景下,张赫全身心致力于超精定位平面电机、直线电机、磁悬浮重力补偿等相关领域的研究工作中。在这个鲜少有人涉及的科研方向,他愿成为国家发展超精密制造事业的一颗螺丝钉,用科研实践助力祖国“精密”事业的发展。

 

踏实前行,坚定人生方向

 

发展精密超精密装备制造产业,是国家推进工业转型升级的历史机遇。而张赫与这一领域研究的结缘也与国家发展的大背景息息相关。

21世纪初期,我国的制造业发展风起云涌。彼时,高中毕业的张赫以优异的成绩考入了哈尔滨工业大学(威海)电气工程专业。大学4年,他在这一专业中不断扎根、学习,并在毕业时以专业第一的成绩被保送到哈尔滨工业大学本部攻读电气工程专业硕士学位。

因为对电机方向一直有着浓厚的兴趣,而电机与电器学科也是哈工大电气工程一级学科下国家批准的唯一一个重点二级学科,因此,研究生毕业后,张赫决心在哈尔滨工业大学继续攻读电机与电器学科博士学位。在这一阶段,张赫顺利进入从事电机方向研究的课题组。在学习、探索中,他对直线电机、平面电机等有了更加深刻的理解,并伴随着国家在相关领域重大科技专项的立项,积极投身到了这一领域研究中。

博士期间,张赫主要对“多自由度磁悬浮微动台的基础研究”展开探索。在他的介绍下,记者了解到:多自由度磁悬浮微动台具有定位精度高、响应速度快、无摩擦、兼容真空环境等优点,在半导体光刻系统、超精密测量、生物芯片技术等现代精密、超精密装备领域具有广阔的应用前景。

在这一方向中,张赫在总结国内外现有微动台结构形式优缺点的基础上,提出了一种集成化的磁悬浮微动台方案,该结构方案将洛伦兹平面电机与磁悬浮重力补偿器进行结合,具有结构紧凑、推力线性度高、隔振性能好、表面温升低等特点,相关工作为后续微动台的力特性优化分析与电磁设计方法总结奠定了理论基础。因其出色的研究成果,他的博士论文《多自由度磁悬浮微动台的基础研究》还获得了“哈工大优秀博士学位论文”等荣誉。

 

探索攻坚,立足国之所需

 

光刻机、高档数控机床等高端制造装备属于高尖端技术领域,近年来一直被国外封锁,严重制约着我国集成电路产业和高端制造业的发展。“事实上,我们研究的大背景就是要面向超精密定位的一些高端制造装备,特别是在光刻机的研发中,直线电机、平面电机、磁悬浮隔振等都是其关键子系统中所涉及的核心技术。”张赫说。而这一方向研究正是他们团队的优势所在。

2016年,张赫及团队在国家自然科学基金青年基金项目“基于正负刚度抵消原理的新型磁悬浮重力补偿器的研究”的支撑下,就科学根据极紫外光刻机对超精密微动台在真空兼容性、隔振性能、表面温升等方面的具体需求,提出了一种基于正负刚度抵消原理的新型磁悬浮重力补偿器。通过这一项目,他们研究了该类磁悬浮重力补偿器的设计方法,形成了低刚度磁悬浮重力补偿器的理论分析方法与优化设计准则,为其在相关领域的实际应用奠定了理论基础。

随着半导体制造、超精密测量等领域的日益发展,对高端仪器设备的隔振性能提出了越来越高的要求,主要体现在大承载能力、低温升损耗、高真空兼容性等方面,使得传统的接触式隔振技术难以适用。

在国家自然科学基金青年基金项目的研究成果基础上,张赫又马不停蹄地开展了一系列延续性研究,并成功申请了国家自然科学基金面上项目“准零刚度大载荷低功耗磁悬浮隔振系统的研究”,受到了国家基金委的连续资助。

在这一项目中,张赫团队重点围绕磁浮弹簧精确建模、准零刚度机理分析等关键技术开展研究;探索合理的感知系统布局方案与控制策略,提出大载荷低功耗磁悬浮隔振系统的综合设计方法。相关科研成果对填补国内技术空白、打破国外技术封锁具有重要现实意义。此外,大载荷低功耗磁悬浮隔振技术的深入研究也能够对大型空间环境地面模拟装置、微重力实验平台等其他科学与工程领域提供技术支撑。

源源不断地摄入新鲜的科研能量,是张赫保持科研活力的源泉。近几年来,他还发挥团队的优势和潜力,开展了多渠道的国际合作与交流,并取得了一系列成果。在其主持的一项国际合作项目中,他和研究团队提出了一种环形绕组结构游标永磁直线电机,大幅提升了直线电机的推力密度,同时削弱了直线电机的推力波动,具有很大的理论研究价值和广阔的应用前景。

 

不惧挑战,矢志前行发展

 

发展精密超精密制造产业是时代的需求,也是张赫无悔的选择。虽然对于超精定位平面电机、直线电机、磁悬浮隔振等方向的研究,并不属于当前的热点方向,最初开展研究时,能够参考的资料也非常少,张赫及其科研团队成员们也度过了一段十分艰难的时期。但一直以来,张赫始终认为这是从事科学研究的必经考验。“科研人有时候是要坐冷板凳的,特别是在那些鲜少有人涉足的研究方向中,就需要一些人能够踏出第一步,为后人探探路,而我愿意做一开始就研究这个方向的人。”张赫说。

一路走来,正是凭借着这种敢为人先、勇于探索的精神,让张赫在科研之路上取得了一系列成果。从事科研多年来,张赫作为负责人或主要参与者承担国家科技重大专项、国家自然科学基金等科研项目10余项,相关成果发表文章40余篇;授权中国发明专利40余项,国际发明专利2项;荣获高等学校科学研究优秀成果奖技术发明奖二等奖、电机及系统国际会议Best Paper Award、国际磁学大会Best Poster Award等荣誉及奖励10余项,入选黑龙江省青年英才计划和哈工大青年拔尖人才计划。多年来,他们还与上海微电子装备(集团)股份有限公司建立了友好合作,为国产光刻机的发展做出了一系列科研贡献。

为了能为研究领域培养更多的新生科研力量,张赫也花费大量的时间在学生的培养上。张赫认为,如今90后、00后的学生思想更为活跃,也更有自己的主见,相较于用“刻板”的科研方式限制他们,不如让他们发挥主观能动性,给予他们更大的空间去发展自己的科研兴趣,培养他们独立科研的能力。一直以来,张赫也始终担任着一名沟通者和引领者的角色,为学生的科研之路保驾护航。

在张赫看来,做科研不仅需要持之以恒,耐得住寂寞;更要志向远大,不断开拓进取。展望未来,他还将继续面向国家的重大需求,开展超精定位平面电机、直线电机、磁悬浮隔振技术等方面的研究,与企业合作,真正实现科研技术的转化,将自己的科研理想一步步变为可触摸的现实。
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2021年7月中

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