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          王光祖回忆文章——我与人造金刚石

          关键词 王光祖 , 人造金刚石 , 原创|2012-09-17 16:52:31|来源 中国天空彩票与你同行
          摘要   1933年10月30日我出生在江西鄱阳县的一个中学教师家庭,鄱阳县是由鄱阳湖而得名的,系渔米之乡。1946-1949年就读于江西鄱阳私立士行中学初中,1949-1952年在江西...

            1933年10月30日我出生在江西鄱阳县的一个中学教师家庭,鄱阳县是由鄱阳湖而得名的,系渔米之乡。1946-1949年就读于江西鄱阳私立士行中学初中,1949-1952年在江西鄱阳中学上高中,1952年经全国统考到武汉大学化学系(四年制),这是一座历史悠久,师资力量雄厚,风景秀丽的国家名校。1956年毕业于该校并分配到北京第一机械工业部工具科学研究院工作。1957-1959年公派到苏联车里雅宾斯克砂轮厂和查波罗什砂轮厂学习电刚玉冶炼及其加工的生产技术,第一机械工业部工具科学研究院在1958年精简机构时被撤消,回国后被派到第一机械工业部磨料磨具磨削研究所工作至退休。这里需要特别说明的是,在大学我学的是分析化学专业,而到苏联学习的是刚玉冶炼,从专业的角度来讲两者之间毫无共同之处,因为我是新中国培养出来的大学生,我们的信念是国家的需要就是我是志愿,回国后正逢人工合成金刚石的研制国家需要立项,可当时磨料磨具磨削研究所正处在筹建期,工程技术人员屈指可数,组织决定要我参与,冶炼刚玉和合成金刚石这两者又是互不搭各的,还是那个信念,一定听从国家安排,叫干什么就干什么,从此我与人造金刚石研发事业结下了不解之缘,从青年-中年-晚年,一干就是一辈子呀!以下将按年份对这一生都干了些什么做一简单回顾。

            自远古以来,金刚石就一直引起人们的关注。这种极其稀有的矿物,大概在公元前三千年在印度被发现。在人类历史的长河中,这种宝石象征着高贵、美丽、圣洁,被皇家、宫庭和贵族作为瑰宝炫耀其地位而珍藏,人们构筑了神奇美丽的故事,充满了对她的幻想和无比的爱慕。

            金刚石的性质,在很长的一段时间内都是个谜,但在17世纪末叶发现了金刚石具有可燃体的属性。直到18世纪后期,终于确定了金刚石是由一化学元素-碳构成的。自1797年Smith和Temnat证明金刚石是碳的同素异形体之后,许多科学家和发明家就注意到用人工方法制造金刚石。研究确认,在过去的石墨转变为金刚石的实验条件中,只有高温而缺少足够的高压,因此,石墨没有转变为金刚石。

            虽然过去的许多尝试都失败了,但这些研究工作却为20世50年代初顺利解决人造金刚石晶体生长技术问题积累了丰富的经验,使人们清楚地认识到制造金刚石的过程是一个超高压高温过程,也就是说,石墨转变为金刚石只有在超高压高温同时存在的条件下才能实现,这一认识上的突破是经过近百年许许多多科学家的艰辛探索才取得的,是何等的不易呀!美国通用电气公司的H.T.Hall等根据P.W.Bridgman的大质量支撑原理设计的"Belt"两面砧超高压高温装置为人造金刚石的研制成功和尔后的工业生产奠定了技术基础。1957年在美国密执安州的底特律建厂,从而拉开了金刚石工业生产的序幕。

            1952-1956年就读于武汉大学化学系上化学课时,曾听老师讲过,金刚石是由碳原子所构成的,物理化学性能优异,是自然界的稀有之物,开采困难,价值昂贵,可是金刚石是个什么模样却没有见过。

            人造金刚石是20世纪50年代发展起来的一项高新技术,当时只有美国、瑞典、英国、苏联和日本等几个工业发达国家所掌握,并对我国实行技术封锁,而我国天然金刚石资源又稀缺,国民经济各部门,特别是精密机械加工,石油开采,地质勘探和电子工业等部门迫切需要,每年要从苏联、刚果进口,1960年国际风云突变,金刚石来源断绝,而严重影响到我国社会主必建设的进程,于是用人工方法制造金刚石就成为我国当时需要解决重要课题。为此,国家将金刚石的研制作为重点项目-121课题,于1960年10月下达了研制人造金刚石的科研任务。由第一机械工业部通用机械研究所、磨料磨具磨削研究所和地质部地质科学研究院组织联合攻关的13人小组:于鸿昌、王光祖、胡恩良、许锦枫、姚裕成、周纪堂、孙荣传、熊文松、卢飞雄、余征民、杜福昌、李进保。这里需要说明的是,我们所承担的不仅是一个单纯的技术性任务,更重要的一项反帝、反修、反封锁的带有浓厚政治色彩的光荣而艰巨的任务。

            在不打无准备之仗,不打无把握之仗的思想指导下,我与于鸿昌、周纪堂一起广泛地收集、整理和分析了国外有关技术资料,撰写了"人造金刚石合成工艺基础"一书(内控资料),并以此为依据提供了第一个实验大纲,建立了自己的石墨-金刚石平衡曲线,作为合成工艺热力学条件选择的主要依据,同时对具体的实施技术方案做了周密的、细致的安排。

            经过攻关小组两年多的通力合作,于1963年12月6日,在国产300吨61型两面砧超高压高温装置上,以高纯石墨粉为原料,以镍-铬合金为触媒,在7.8GPa压力和1375-1550C高温条件下合成成功我国第一颗人造金刚石,记得那是个晚上,第32次实验中合成出来的,当时我们的参与实验的所有成员为之欢呼!为之跳跃!我们成功了!这是一个终生难忘之夜,是值得引以自豪之夜。它将作为中国人造金刚石事业的开端而永载史册,是毛泽东"独立自主,自立更生"思想的伟大胜利。

            第一颗人造金刚石在华夏大地的诞生,无论是对我国高压高温技术,还是晶体生长学科的发展都堪称为里程碑。为我国机械加工、地质和石油勘探、石材加工等传统工业的技术进步与发展注入新的活力。这对当时经济实力和科学技术还相当落后的中国,能够取得具有世界先进水平的技术成果是非常了不起的。为此荣获1978年全国科学大会奖。

            第一颗人造金刚石的研制成功,在金刚石产业化的整个进程中只是迈出了第一步。为了使人造金刚石科研成果尽快转向工业性生产,1965年4月第一机械工业部正式下达国家科委关于“人造金刚石中间试验计划任务书”的批复文件,明确要求在磨料磨具磨削研究所建立中间试验基地,稳定合成工艺和完善前后道工序,使之达到工业生产水平。

            磨料磨具磨削研究所和铸造锻压机械研究所合作,于1964年开始共同设计具有中国特色的DS-023A型饺式六面砧压机,为争时间抢速度,采用了边设计边试制的原则,于1965年8月制造安装完成,从此我国第一台6×6MN DS-023A型压机的诞生。我是在这台压机上主持金刚石合成工艺试验小组的组长,参加攻关小组的有邵德厚、余志超、孔令春、李进保、闫聚武等,试验首先遇到的难题是高压的密封问题,倘若这一技术难题得不到及时解决,合成工艺试验就不可能正常地进行而导致金刚石工业化的进程,乃至搁浅。通过几个月日日夜夜的观察、思考、实践,终于找到问题原自两个相邻顶砧46o斜面夹角不合适所致。高压密封技术的重大突破,为这种类型高压装置后来的顺利应用于工业生产奠定了坚实的技术基础,为此,荣获1978年河南省科学大会奖。  为了把人造金刚石晶体生长技术提高到一个新的水平,1966-1969年间承担了部重点课题-单晶大颗粒人造金刚石的研究。这是一项颇有技术难度的项目,通过实验:

            (1)获得晶形较好的1.0-1.5mm的单晶金刚石;

            (2)在单压源六面砧超高压高温装置上合成的成功率达70%-80%,而在铰式六面砧压机上只有30%-40%,表明超高压高温装置的同步、对中和保压性能对合成工艺的稳定性、重复性有着重要的影响;

            (3)若想生长宝石级金刚石应优先采用晶种法;

            (4)根据高压腔体容积小、温度难以控制,致使单产低,且质量不稳定,成本高和经济效益等诸多现实问题,于20世纪60年代末,磨料磨具磨削研究所的研究者率先提出了铰式六面砧压机大型化的设想,在给第一机械工业部申报的"人造金刚石大单晶研究装置"的报告中,提出设计制造6×25MN的饺式六面砧压机。可是,在当时赶超世界先进技术水平的思潮的影响下,沈鸿副部长要求我们将6×25MN改为6×50MN。该压机由铸造锻压机械研究所与磨料磨具磨削研究所联合设计,北京第二通用机械厂制造,1974年安装在磨料磨具磨削研究所,对该压机的力学测试显示,各项设计技术指标基本上达到设计要求。由于大直径硬质合金顶砧质量未能达到使用要求,致使这一尝试失败。虽然这次尝试遭受挫折,但是我们认为它吹响了向压机大型化进军的号角,指明了压机大型化的努力方向,无疑是奠基之举。虽然上述设想未能由我们来实现,但我们的设想为美国通用电气公司和戴比尔斯公司的实践证明是完全正确的。

            这里需要特别提及的是,我与夏谣峰副所长与制造单位讨论实施方案时,遇到了两道技术难题,就是一件称之为铰链梁的关键大型部件的浇注和加工问题,因为当时该厂的现有设备要完成这一任务的确难度很大,怎么办?经仔细分析讨论后,提出了用两台炼钢炉的钢水同时浇注和把枕木将小型机床架起来爬在铰链梁上,我们称之为"蚂蚁啃骨头"的解决方案,此举充分体现了我国工程技术人员的聪敏才智和敢于挑战困难的豪迈气慨。每当我回忆起这段往事时,仍记忆犹新而深感自豪。通过这次实践,使我们深深地领悟到硬质合金顶砧的大型化在压机大型化进程中的重要性,就是说高压腔体能否扩大与硬质合金顶砧能否大型化密切相关,而且应是硬质合金顶砧大型化在先,换句话讲,就是没有硬质合金顶砧的大型化,压机的大型化将难于实现,而高压腔体大型化则是金刚石晶体生长高产、优质和低成本的重要条件。

            1971年应中国科学编辑部的约定,我与徐见闻合作根据多年来的实践,撰写了一篇题为"人造金刚石晶体生长与压力、温度关系的研究"的论文,文中所阐述的金刚石产、质量与压力、温度之间的规律及升温过程的理论原则一直指导着生产。值得一提的是,我们根据观察到的现象,把晶粒半径与系统中自由能的关系曲线上的"临界半径rk移了一个位置,结果引起了很大的学术争论,争论出现后"中国科学"编辑部,把论文送到了我国著名科学家王大犹,钱学森那里,两位老先生的意见是,如果作者的所给曲线的数学推导是正确的话,那么怎样定义rk作者完全可以根椐其实际观察结果做出相应的解释是允许的,因为经典理论中rk的位置是在常压常温的特定条件下得出的,而论文作者是在超高压高温条件下所观察得到的,两者条件差异很大,因此rk移动个位置是对传统理论的发展。为了验证我们的演算结果是否正确,特请郑州大学数学专家吴亲仁教授进行了审核,答案是我们的演算结果是完全正确的,在上述知名教授的首肯和支持下论文得以发表,而且是用中、英两种文字发表的,因为它是一篇具有创见性的论文。随着人造金刚石生长技术的发展,开展人造金刚石合成机理的研究已提上议事日程.

            1973年全国计划会议上,确定由吉林大学和磨料磨具磨削研究所共同负责,开展人造金刚石晶体生长的系统理论研究,这在我国还是第一次,我是磨料磨具磨削研究所参加这一合作项目的课题负责人。为从理论和实践的结合上阐明这一学术问题,我们进行了碳素材料(主要是石墨)与金刚石晶体生长关系的实验;触媒与金刚石晶体生长关系的实验;以及高压高温前后碳素与触媒的X衍射分析,根据研究结果,撰写了"触媒参与下金刚石晶体生长机理的探讨"和"高压高温下无定形碳向金刚石结构转变的研究"论文,文中明确提出:选择触媒的"三不分割原则"和"石墨材料的优选原则",以及无定形碳向金刚石结构转变必须经过一个石墨化阶段的观点,这一观点已载入许多技术专著之中,成为一种公理,这是我们对金刚石合成工艺技术理论所做出的具有创建性的贡献。

            1974年,在上海召开的"大颗粒人造金刚石"现场经验交流会上,就人造金刚石晶体生长机理进行了一场非常精彩的讨论,会上持溶剂学说和结构转变学说的学派,展开了激烈的争论,场面非常热烈。席间中科院硅酸盐研究所周光召所长提出,如果按溶剂观点,无定形碳更容易长金刚石,不知在坐的研究者中那位做过这方面的研究。为此,我们提供了高压高温下无定形碳向金刚石结构转变必须经过石墨化阶段,就是说在碳素材料向金刚石转变过程中结构因素起着主导作用,周所长当即赞扬这一研究结果具有重要的学术价值,对于如何解释金刚石生长机理提供了实践依据。

            机械工业部为2000年产品振兴,向其下属各研究所下达了"机械工业2000年产品振兴目标研究"的重点课题。这是一项预测性课题,要求组织一批理论水平高和实践经验丰富,对行业情熟悉的工程技术专家参与实施,根据上级的安排我们所承担了其中一个子项-超硬材料产品水平评价分析,本人为该项课题的负责人。该课题荣获1988年机械电子工业部科技进步一等奖,1989年国家科技进步二等奖,1992年10月1日为了表彰我们为发展我国工程技术事业做出的突出贡献,中华人民共和国国务院特决定发给政府津贴,并颁发证书。

            1993年深圳“93”中国超硬材料发展战略研讨会暨庆祝人造金刚石发展30周年,我被推选为这次研讨会论文集编审委员会的主任委员,主题报告为“中国超硬材料发展30年”,文集由机械工业部科技司练元坚司长作序。指出,我国超硬材料工业正进入关键发展时期,规模急剧扩大,产量高速上升,"复关"临近面对激烈的国际竞争。在此重要时刻机遇与挑战并存,何去何从,需要认真思考与决择!适逢中国第一颗人造金刚石诞生30周年,根据密切关心超硬材料工业发展前途的老专家、老同志的倡义,郑州磨料磨具磨削研究所主持召开了“中国超硬材料工业发展战略研讨会”,行业同仁纷纷响应,执笔撰文,各抒己见,深刻分析,见解精辟,盖收于文集中,它是我国超硬材料工业发展史上的一件宝贵史料,因为她记述了各个时期的重要史实和背景,堪称留给后人的史书,必将产生深远影响。

            五年后,也就是1998年在杭州召开的庆祝人造金刚石诞生35周年撰写"关于我国人造金刚石未来发展的思考"文章指出,经过35年的发展,特别是20世纪90年代初的超常规发展,使得我国人造金刚石产量跃居世界第一。但产品品级属中、低档,品种较为单一,销售价格也低,表明,我国人造金刚石只是产量大国,而不是强国。虽然这时我巳退休多年,为了今后我国人造金刚石能更健康、快速发展,针对其发展现状提出了若干建议,生产上规模,更应上水平;超高压腔体大型化硬质合金顶砧质量是关键;超高压腔体大型化,年轮式两面砧装置具有明显优势;产品品种要系列化、多样化和专用化;制品是人造金刚石的发展桥梁;应用是人造金刚石的发展动力。

            几十年来与超硬材料事业所结下的深深情感是难以语言所能表达的。因此,时时刻刻关注着她的每一步发展,要实现由"生产大国"向"生产强国"的战略转移,实现历史赋予行业同仁的重任,抡占金刚石生产强国的制高点,必须充分认识并做好以下几点:

            (1)高品级金刚石产业化是实现'转变'的突破口;

            (2)超高压高温设备的大型化是实现'转变'的条件;

            (3)高品级金刚石合成工艺是实现'转变'关键;

            (4)合成装备控制系统微机化是实现'转变'的保证;

            (5)检测技术是实现'转变'的王牌。

            纳米技术和纳米材料是新世纪科研的前沿,具有强烈的时代特征,为推动纳米金刚石爆轰合成技术在我国的进一步发展,探讨其产业化以及扩大应用领域等问题,我协助浙江省科委、科协筹备了"全国首届纳米金刚石发展研讨会",邀请了中科院兰州化学物理研究所、甘肃省化工研究所、第二炮兵工程学院、中国运载火箭技术研究所、浙江大学、北京理工大学、人工晶体研究所、磨料磨具磨削研究所、西北核技术研究所等单位的专家、教授共商纳米金刚石产业化和扩大应用领域之大计。

            最后,我做了总结认为,这是一次高效率的、高知识层次的、内容非常丰富的,代表了我国现阶段纳米金刚石科技、生产和应用的最新水平的研讨会,专家、教授就纳米金刚石爆轰合成技求、应用技术以及它的发展前景做了全面论述,我想用以下几句话来概括:爆轰合成技术日趋成熟,产业化条件基本具备,应用初见成效,领域有待扩大,潜在市场很大,发展前景诱人,技术难点不少,攻关任务很重。会后由我主编了一本"纳米结构金刚石发展研讨会"论文集。从此,我与纳米金刚石的研发结下了不解之缘,近几年来,我晚年的最大乐趣集中到一点就是纳米金刚石。为此,我把主要精力从事收集、整理撰写纳米金刚石合成技术、特性和应用方面的综述或专题文章,传播这门新技术发挥点余热,使晚年生活过得充实、有意义。 

            著书立说

            人造金刚石晶体生长与压力、温度关系的研究"一文中的部分内容收入1975年吉林大学固体物理研究室高压合成组编著的"人造金刚石"(科学出版社)和1978年苟清泉教授编著的"固体物理简明教程"(高等学校试用教材,人民出版社)两本书中。

            为及时了解国外超硬材料科研、生产发展的动态,我在1983年黄山超硬材料国内外发展水平研讨会上提出编辑出版"超硬材料译文集"的建议,这一建议得到了与会者的支持,1984-1991年间主编"超硬材料译文集"共11集,近百万字,其中编者提供的译文约10万字,审校的译文约8万字,深受广大读者的欢迎,为传播国外先进技术做出了贡献。

            编著磨料磨具行业技工培训教材-超硬材料制造工艺学(中级本),本书是根据磨料磨具行业《工人中级技术理论教学计划、教学大纲》的目标编写的。该书的出版,对于金刚石生产技术的普及与提高起到了非常重要作用。

            1989年,应邀为郑州机械高等专科学校第一届超硬材料及制品专业学生授课。该专业是机电部和国家教委批准备案而设置的,是国内高校中独有的专业,与王秦生,康季常合作编写了《超硬材料》教材供试用,这是第一本用于超硬材料专业教学的教材。

            为了帮助读者对国外立方氮化硼及其多晶体研究内容、水平及发展动态有较系统地了解,受"磨料磨具与磨削"杂志主编卫风舞的约请,撰写了"国外立方氮化硼制造技术"连载12集,约6万字。

            1993年,磨料磨具技术手册(大型工具书)由兵器工业出版社出版。该手册总结了我国45年来磨料磨具生产实践,标志我国磨料磨具的技术水平,并汇集了国内外各种磨料磨具技术资料与常用数据,为磨料磨具专业与机械加工专业的工程技术人员、管理干部和高、中级工人提供了一本简明、准确、实用的手册。笔者为该大型技术手册的副主编,撰写了手册中的第八篇。  为推动我国立方氮化硼晶体生长技术水平的提高和拓宽应用领域,加快应用步伐,我与我的研究一起编写了"立方氮化硼合成与应用"一书,在编写过程中查阅了大量的文献资料,力求全面、系统地反映立方氮化硼晶体生长和应用的最新成果,并结合自己在科研和生产实践中的经验和体会,把立方氮化硼基础理论和应用技术汇集于一体。该书1995年由河南科学技术出版社出版,荣获1995年度河南省优秀图书二等奖。

            笔者根据长期从事超硬材料科研与生产,以及教学的实际与院兴国高工合作编著的"超硬材料"一书1996年由河南科学技术出版社出版,并荣获1996年度河南省优秀图书二等奖。该书多年来为超硬材料工程系的教材,以及为行业技术培训广泛采用。

            为了适应超硬材料行业技术培训的蓬勃发展形势,笔者本着理论与实际相结合而更侧重于实际,普及与提高相结合更侧重于普及的原则,以大量涉及超硬材料生产工艺和原辅材料的有关专著和文献中,萃取了有关内容,以通俗的回答形式编写了"金刚石合成系统工程问与答"一书,以此奉献给从事超硬材料生产第一线的广大年青的生产者,期望通过学习能达到初步了解金刚石合成技术的基础理论知识,并具备分析和解决生产过程中所出现的问题的能力。

            我国人造金刚石的科研立项始于1960年,笔者有幸参与了金刚石的研制与产业化的全过程,而且一干就是40年,伴随着人造金刚石事的发展,我享受过成功的喜悦,但更多二四六天天好彩免费资料大全的常常是彻夜不眠和食不甘味的苦思,参与攻关。40年来为超硬材料科研成果与行业同仁共享,笔者撰写了近百篇文章发表在多种刊物上,深入反映了笔者在超硬材料科研与生产中的思索与认识。

            值此新千年来临之际,金刚石以多种形态(薄膜,纳米颗粒)展示在人们面前,并以其优异的综合技术性能,进一步拓宽了其应用领域,显示了金刚石的盛旺生命力,面对新的挑战,我心潮澎湃,40年的笔下耕耘成果,不应是属于我个人的,应汇集成册作为辅路石,为从事超硬材料工作的技术和管理者提供一本可供借鉴、可供阅读、可供参考的读物,让我们的事业发展得更快些、更好些,这一想法很快得到了杭州高发集团公司,郑州新郑电碳厂和中外合资无锡恒丰硬质合金制品有限公司的支持和资助,在此表示衷心的谢意,本书取名为"人造金刚石探秘-王光祖论文集"该书由四川大学苟清泉教授作序,指出,王先生巳年过花甲,仍以进取的精神将振兴和发展中国的金刚石工业为已任,至今笔耕不辍,为行业的发展出力,这本书充分体现了他拳拳报国之情。

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