芶清泉教授对我国超硬材料发展的历史性贡献

时间:2017-03-30    点击:

邹广田

  芶老师是吉林大学物理学科的创建者之一,是吉林大学原子分子物理专业、固体物理专业的创建者,也是吉林大学高温高压物理与超硬材料研究领域的开拓者。我于1965年底在芶老师的指导下完成了研究生学业后留校工作,参加了芶老师领导下的人造金刚石早期的研究和教学工作。芶老师一生对我国教育和科学事业发展的贡献是多方面的。本文仅就芶老师对我国超硬材料发展的贡献做一回顾,作为对芶老师百年诞辰的纪念,以表达我对老师的怀念和感恩之情。

  一、提出在高温高压下石墨转化为金刚石的结构转化机理

  1969年夏,在芶老师带领下,吉林大学物理系固体物理教研室的部分年轻教师到长春第一汽车制造厂工具分厂磨具车间,进行人造金刚石的实验研究。这项工作只进行了2-3个月,因教师下放到农村插队落户而终止。1972年春,插队落户的年轻教师吴绍曾、曾琴、邹广田和徐洪山等刚刚从农村回到学校,芶老师再次带领他们到一汽工具分厂做提高人造金刚石品质的实验。一汽的技术人员问芶老师,这么软的石墨为什么能在高温高压下变成坚硬的金刚石?怎样才提高人造金刚石质量和转化率?为了回答这个问题,芶老师多次深入不同工厂调研,从生产的技术难题中,凝练出既有重大科学意义又对生产有指导作用的科学问题——人造金刚石合成机理。经过认真研究,芶老师于1972年,在北京152厂做了题为“由石墨直接转变成金刚石的机理”的学术报告,并发表在该厂的技术刊物《人工晶体》(1972年2期)上。

  1973年6月,芶老师在郑州召开的“人造金刚石合成机理与提高金刚石质量研讨会”上,做了“高温高压下石墨变金刚石的结构转化机理”报告,并发表在1974年《吉林大学自然科学学报》上。在这篇文章中,芶老师提出了石墨直接转变为金刚石的机构转化机理、加触媒促墨转变为金刚石的机理、触媒的三条优选原则:定向成键、结构对应、低熔点,及人造金刚石专用石墨的优选原则:高纯度、高石墨化度和高密度,引发了全国人造金刚石合成机理的研究热潮。当时触媒说、溶媒说、溶剂说等不同主张在会上和会下展开了热烈的讨论,推动了人造金刚石实验研究的进展。为了指导人造金刚石技术的发展,芶老师深入北京的电子材料工厂,用他提出的“机理”优选了一批镍基、钴基合金片作为触媒,厂家免费赠送给参加郑州会议的每个单位2公斤试用。当时人造金刚石所用的触媒多为镍铬铁。芶老师领导的研究集体还参加了长沙矿冶研究院关于镍锰钴铌铜的研制工作。在此基础上长沙矿冶研究院研制的镍锰钴触媒,在金刚石生产中长期使用,直到本世纪初才为铁基触媒替代。这两种触媒都符合芶老师的触媒三原则。

  1973年12月,受一机部委托,为进一步落实人造金刚石合成机理的指导作用,在长春举办了全国“人造金,刚石专用石墨座谈会”;芶老师和郑州磨料磨具磨削研究所司振桐所长共同主持了会议。芶老师让我当秘书负责筹备会议,并与王光祖起草会议纪要。除金刚石研制单位外,吉林碳素厂、自贡碳素厂、哈尔滨电碳厂等石墨生产厂家也参加了会议。会上交流了经验,确定了人造金刚石专用石墨的技术指标和负责研制的单位,包括中国科学院贵阳地球化学研究所谢洪森建议的含硼石墨。这些人造金刚石专用石墨,在我国一直使用到本世纪初,才被粉末石墨所全面取代。

  二、提出了金刚石粘接机理

  金刚石聚晶的合成和金刚石工具的制造都涉及到如何将金刚石牢固粘接的问题,这又是一个实际生产中的关键技术难题。芶老师从固体表面与界面原子的结构与原子间相互作用的规律入手,揭示了金刚石的粘接机理,提出了金刚石的金属粘结剂的优选原则与金刚石的触媒优选原则相同,即金刚石最好的触媒都可以作为它的最好的粘结剂。他详细地分析了Co、Ni、Si和B为什么可以作为金刚石的粘接剂,在金刚石聚晶和金刚石复合材料的研究和生产中起到了指导作用。一直到今天,Co、Ni、 Si和B仍然作为金刚石的最好粘接剂被广泛使用。

  三、首次研制出含硼黑金刚石及其聚晶,提出了这类材料耐高温的机理

  1974年吉林碳素厂根据长春石墨会议的要求试制出几种新石墨,芶老师带领学生在北京152厂用这些新石墨做合成金刚石效果实验时,发现含硼石墨B11合成出的金刚石是黑色的,单产和抗压强度高,特别是耐热性比普通金刚石高200-300℃。1976年芶老师带领学生先后在152厂和天津砂轮厂用含硼触媒和不含硼的石墨也合成出黑色金刚石;这两种方法合成的黑色金刚石都有相同的耐高温性能。由于含硼触媒在成本上占优势,北京152厂和天津砂轮厂于1976年冬季开始批量生产,为人造金刚石增添了一个有特殊应用的新品种。1978年,芶老师发表了《含硼黑金刚石的结构与合成机理及其特殊性能的探讨》的论文,提出了含硼黑金刚石的物理模型,阐述了它耐高温的机理,并预言这种金刚石具有好的化学惰性。芶老师和郑州磨料磨具磨削研究所于洪昌、天津砂轮厂共同承担了一机部《含硼金刚石聚晶》研制项目,在天津砂轮厂成功地研制出了兼具优良耐热性与耐磨性的含硼黑金刚石聚晶。吉林大学吴代鸣老师是这个项目的主要参加者,他还用这种聚晶与成都石油钻探工具厂合作制成钻头,在四川油田超深井钻探中,取得好的结果。

  四、提出了耐高温高强度硼皮氮芯金刚石模型

  芶老师在含硼金刚石研究的基础上,提出了硼皮氮芯金刚石模型,为人工合成优质金刚石的研究工作提供了新的理论基础。在1981-1985期间,芶老师为项目组长、冯端先生为副组长组织吉林大学、南京大学、山东大学、中国科学院物理研究所和上海硅酸盐研究所承担了国家科委的《晶体物理》重大研究项目。吉林大学承担的任务是进一步提高人造金刚石品质的研究,硼皮氮芯金刚石是主要研究内容之一。芶老师指导研究生成功地研制出了耐热性好的透明硼皮金刚石,抗压强度高、耐热性好的粗颗粒金刚石,更高耐热性的硼氮皮金刚石单晶,以及用于石油钻头的高耐热高磨耗比聚晶。吉林大学吴代鸣、郝兆印、王立中、苏文辉、吴紹曾、曾琴、熊大和、崔慧聪、陈良恒、金曾孙、董维义、邹广田和研究生张铁臣、周渝、李永华等人在芶老师指导下参加了相关研究工作和教学工作。此外,芶老师还开展了金刚石薄膜的形成机理与原子分子设计的研究,构建了合理化的理论模型和结构设计,成功地合成出了大尺寸的优质金刚石薄膜。

  五、为超硬材料和高压科学培养了大批优秀人才

  1974年,芶老师认为要想提高人造金刚石产品的水平,必须先提高技术人员的专业知识水平。经与一机部协商并受一机部委托,吉林大学于1975年9月在贵阳第六砂轮厂举办了全国人造金刚石短训班,国内20多个单位选送了50多名工程技术人员参加为期3个月的学习。他亲临贵阳为学员讲授人造金刚石合成机理,深夜到合成车间与学员一起进行含硼人造金刚石的实验研究。

  按照芶老师的指示,我们聘请专家在学习班上讲了X光结晶学的基本知识和粉晶结构分析实验方法和爆炸法生产人造金刚石的新技术;还多次组织讨论会,芶老师亲自参加讨论,并回答了学员们提出的一些生产中出现的费解的问题;交流了各单位生产高品级金刚石的经验体会;推广了几项生产新技术。根据我的笔记本上的记载,推广的新技术主要有冶金部桂林地质研究所扩大腔体提高产量和质量的技术,长沙冶金地质研究所观察分析金刚石合成试棒的经验,天津砂轮厂的含硼石墨的使用效果分析,贵阳第六砂轮厂的叶蜡石粉末成型技术、高压釜硷处理和摇床分选技术,郑州磨料磨具磨削第三研究所的往复式增压器等。学员们普遍反映收获很大。

  芶老师在吉林大学工作期间,先后举办了一年制的人造金刚石进修班,本科生和硕士研究生班。1983年调到成都科技大学后还招收了硕士、博士研究生。为人造金刚石行业培养了大批科技人才和技术骨干。

  六、建立吉林大学高压合成实验室

  芶老师一直重视实验研究和建立实验室。在文革中,芶老师不辞辛劳带领年轻教师多次到国家有关部门争取研究任务、经费和设备的指标,得到这些部门的大力支持。芶老师分别带潘守甫、王立中、邹广田到七机部二院、国防科委21基地驻京办事处联系,向基地副司令员程开甲直接汇报。经过反复酝酿, 1974年21基地通过国家计委给吉林大学下达了高温高压研究的国防任务并拨给了相当宽裕的经费;芶老师亲自挑选购买了一台配有Belt装置的500吨材料试验机。他又以国防任务的名义将下放农村的本教研室老师全部调回,并将愿意参加此项研究的多名物理系和数学系教师,调入固体物理教研室。1975年元旦我们在自己的实验室里合成出金刚石,芶老师还特意带来糖果祝贺。芶老师让邹广田和吴紹曾、金曾孙建造基于这台压机的大型活塞-圆筒装置和测量系统,测量了一系列岩石和其他材料的高压状态方程,使用单位认为“比某单位测量的精度高”,并在工程设计中使用,圆满完成国防任务。

  芶老师和王立中多次到国家计委和一机部申请添置一台六面顶高温高压装置,从国家计委要来压机指标和经费,一机部安排了生产计划,将济南铸锻研究所每年生产的四台压机中优先调拨一台给吉林大学。一机部还给了一台马鞍车床指标,芶老师派邹广田到一机部机床工具局争取到技改费的支持。1975年底这台设备正式运转,用于合成人造金刚石和立方氮化硼的研究。这两台高温高压装置使高压合成实验室初具规模,至今仍用于高压合成实验,无论对教学和科研工作的顺利开展,还是对后来建立超硬材料国家重点实验室都起到重要作用。

  七、编写了世界上第一部人造金刚石专著

  1975年在举办我国首届人造金刚石短训班时,国内外没有适用的教材,芶老师提出我们自己编写。他让吴绍曾、曾琴和邹广田到北京152厂、上海砂轮厂等单位调研,派曾琴、熊大和与邹广田到郑州三磨所实习用六面顶压机制造金刚石单晶和聚晶。芶老师领导几位年轻教师编写了《人造金刚石》一书,他自己编写基础知识和人造金刚石合成机理,吴绍曾编写静高压的产生和测量,邹广田编写动高压的产生和测量,熊大和与邹广田编写金刚石合成工艺、曾琴编写原辅材料和金刚石的分析检测,书稿经王立中修改润色后,由科学出版社于1975年出版,这是我国也是国际上的第一部人造金刚石专著。

  1977年,在上海交通大学方俊鑫教授的积极建议下,芶老师在编写《固体物理简明教程》中,增加了“超硬材料”一章,全面论述了自己有特色的人造金刚石合成机理。这是面向高等学校理科物理专业高年级学生,介绍超硬材料的第一本固体物理教材,也成为吉林大学的固体物理课程教材。该书由人民教育出版社于1978年出版。1986年,芶老师将他关于人造金刚石合成机理的主要研究成果写成一本专著“人造金刚石合成机理研究”,由成都科技大学出版社出版。

  芶老师对于人造金刚石合成机理的研究所作的贡献,已大大促进了中国和国外此方面技术的发展。国外学者认为芶老师的理论解决了金刚石合成中很多历史遗留问题,引发了合成新方法和新产品的诞生。1985年8月上旬,美国诺顿克里斯坦森公司金刚石技术中心邀请他做了人造金刚石合成机理的报告,并聘请他做科学顾问。该公司人造金刚石专家宋健民博士高度评价了他的工作,表示这些与他们长期的工作经验相符合,很有价值。1987年在基辅召开的国际高压科学与技术大会上,捷克两位学者非常兴奋地报告,他们发现了触媒合金与金刚石结构的对应关系,这一结果比芶老师的论文整整晚了12年,而且仅为芶老师优选触媒的三原则之一。1990年以后芶老师曾三次应邀访问日本筑波大学和日本无机材料研究所,报告他在人造金刚石领域新的研究进展。他与日本第一颗人造金刚石制造者若槻雅男教授建立了长期合作关系,共同承担了日本文部省的科研项目,促进了两国间的交流和合作。

  总之,芶老师在我国人造金刚石发展初期,深入实际,提出了人造金刚石合成机理、触媒和石墨优选原则、金刚石粘接机理、含硼黑金刚石耐高温机理、硼皮氮芯金刚石理论模型,编写了《人造金刚石》专著,将超硬材料作为一章写入《固体物理简明教程》,领导建立了高压合成实验室,举办了全国人造金刚石学习班、进修班,培养出本科生、硕士研究生和博士研究生等一大批至今仍活跃在我国超硬材料行业第一线的技术骨干和业内精英。

  芶老师的这些早期工作成就和著作,已经成为超硬材料领域的经典文献,至今还广为引用,对我国超硬材料的发展仍有指导意义。我们重读他的著作,还能受到启迪,从中找到解决技术难题的方法。

  1978年芶老师的事迹被长春电影制片厂拍成纪录片,全国放映。他当选为“全国优秀科技工作者”,出席了全国科技大会。他的“人造金刚石合成机理”研究成果荣获全国科技大会奖。芶老师为人造金刚石事业发展做出的杰出贡献,在我国科技发展史上留下了不可磨灭的光辉一页。

  在纪念芶老师诞辰100周年之际,可以告慰先生的是,您为之付出心血的我国超硬材料事业,现在英才济济,超硬材料基础研究活跃在国际前沿,实验技术、生产装备和工艺都已进入世界先进行列,我国已经成为世界上最大的超硬材料生产和使用国,正满怀信心地向强国的目标前进。

  在纪念芶老师诞辰100周年之际,我们要学习芶老师对事业的强烈责任感和艰苦奋斗的顽强毅力,学习他勇于开拓的创业精神和他善于组织队伍干大事的气魄,学习他根据国家重大需求和科学发展趋势,从实际出发,凝练重大科学问题发展基础学科的战略思想和理论与实践相结合的作风,进一步继承和发展芶老师开创的事业,创造出更加辉煌的业绩,为把吉林大学物理学科建成世界一流学科做出更大的贡献。

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