芶清泉教授對我國超硬材料的歷史性貢獻(xiàn)①

鄒廣田

(吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春130012)

芶清泉教授對我國超硬材料的歷史性貢獻(xiàn)①

鄒廣田

(吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春130012)

芶清泉教授在我國人造金剛石發(fā)展的初期,揭示了人造金剛石合成機(jī)理、金剛石粘接機(jī)理、含硼黑金剛石耐高溫機(jī)理。他提出了觸媒與石墨優(yōu)選原則和硼皮氮芯金剛石模型。他的工作對中國人造金剛石的發(fā)展起了重要作用。他出版了世界第一本《人造金剛石》專著、并將超硬材料作為一章寫入他的《固體物理簡明教程》。他舉辦了全國第一個人造金剛石短期學(xué)習(xí)班、進(jìn)修班,培養(yǎng)出一大批工作在超硬材料領(lǐng)域的學(xué)士、碩士和博士,他們很多人已成為技術(shù)骨干和業(yè)內(nèi)精英。芶清泉教授對我國超硬材料的發(fā)展做出了不可磨滅的歷史性的貢獻(xiàn)。

芶清泉;人造金剛石;金剛石粘接;含硼黑金剛石;硼皮氮芯金剛石;人造金剛石合成機(jī)理

芶清泉老先生是吉林大學(xué)物理學(xué)科的創(chuàng)建者之一,也是吉林大學(xué)固體物理專業(yè)和高溫高壓物理與超硬材料研究方向的開拓者。我于1965年底在芶老先生的指導(dǎo)下完成了研究生學(xué)業(yè)后留校工作,參加了芶老先生領(lǐng)導(dǎo)下的人造金剛石早期的研究和教學(xué)工作。現(xiàn)將芶老先生對我國超硬材料發(fā)展的歷史性貢獻(xiàn)做一簡要回顧。

1 提出在高溫高壓下石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化機(jī)理

1969年夏,在芶老先生帶領(lǐng)下,吉林大學(xué)物理系固體物理教研室的部分年輕教師到長春第一汽車制造廠工具分廠磨具車間,進(jìn)行人造金剛石的實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)時用的是200噸的年輪式兩面頂壓機(jī),觸媒是鎳鉻鐵合金片,碳源是爐芯石墨,傳壓介質(zhì)是葉蠟石,密封材料是碗狀多層金屬片和葉蠟石相間的復(fù)合材料。這項工作只進(jìn)行了2～3個月,因教師下放農(nóng)村插隊落戶而終止。1972年春,芶清泉先生再次帶領(lǐng)剛從農(nóng)村下放2年回校的年輕教師吳紹曾、曾琴和我到一汽工具分廠做提高人造金剛石品質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)時,一汽的技術(shù)人員問芶老先生,這么軟的石墨為什么能在高溫高壓下變成堅硬的金剛石?怎樣才能提高人造金剛石質(zhì)量?為了回答這個問題,芶老先生多次深入不同工廠調(diào)研,從生產(chǎn)的技術(shù)難題中,凝練出重大科學(xué)問題:人造金剛石合成機(jī)理。它既有重大科學(xué)意義又能對生產(chǎn)具有重大指導(dǎo)作用。經(jīng)過認(rèn)真研究,芶老先生于1972年,在北京152廠報告了“由石墨直接轉(zhuǎn)變成金剛石的機(jī)理”,并發(fā)表在該廠的《人工晶體》1972年2期。

他在1973年6月鄭州召開的“人造金剛石合成機(jī)理與提高金剛石質(zhì)量研討會”上做了“高溫高壓下石墨變金剛石的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化機(jī)理”報告,并于1974年在《吉林大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報》上發(fā)表[1]。在這篇文章中,芶老先生提出了石墨直接轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸慕Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化機(jī)理、加觸媒促使石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸臋C(jī)理、觸媒的三條優(yōu)選原則:定向成鍵、結(jié)構(gòu)對應(yīng)、低熔點(diǎn)和人造金剛石專用石墨的優(yōu)選原則:高純度、高石墨化度和高密度。引發(fā)了全國人造金剛石合成機(jī)理的研究熱潮。當(dāng)時觸媒說、溶媒說、溶劑說等不同主張在會上和會下展開了熱烈的討論,推動了人造金剛石實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展。為了指導(dǎo)人造金剛石技術(shù)的發(fā)展,芶老先生深入北京的電子材料工廠,用他提出的“機(jī)理”優(yōu)選了一批鎳基、鈷基合金片,廠家免費(fèi)贈送給參加鄭州會議的各單位2公斤,在人造金剛石合成實(shí)驗(yàn)中試用。當(dāng)時人造金剛石所用的觸媒多為鎳鉻鐵。芶老先生領(lǐng)導(dǎo)的研究集體還參加了長沙礦院研制的鎳錳鈷觸媒。長沙礦院研制的鎳錳鈷觸媒,在生產(chǎn)中長期使用,一直延續(xù)到本世紀(jì)初。

同年12月受一機(jī)部委托,為進(jìn)一步落實(shí)人造金剛石合成機(jī)理的指導(dǎo)作用,在長春舉行了全國“人造金剛石專用石墨座談會”。芶老先生和鄭州三磨所司振桐所長共同主持了會議,我和王光祖是會議秘書。除金剛石研制單位外,還有吉林碳素廠、自貢碳素廠、哈爾濱電碳廠等石墨生產(chǎn)廠家。會上交流了經(jīng)驗(yàn),通過討論,確定了人造金剛石專用石墨的技術(shù)指標(biāo)和負(fù)責(zé)研制的單位。這些人造金剛石專用石墨,在我國一直使用到本世紀(jì)初,才被粉末石墨全面取代。

2 提出了金剛石粘接機(jī)理

金剛石聚晶的合成和金剛石工具的制造都涉及如何將金剛石牢固粘接的問題,這又是一個實(shí)際生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)難題。芶老先生從固體表面與界面的原子的分布與電子狀態(tài)入手,揭示了金剛石的粘接機(jī)理。提出了金剛石的金屬粘結(jié)劑的優(yōu)選原則:結(jié)構(gòu)對應(yīng)原則、定向成鍵原則和低熔點(diǎn)原則。這與金剛石的觸媒優(yōu)選原則相同。即金剛石的最好的觸媒都可以作為它的最好的粘結(jié)劑。[5]

3 提出了含硼黑金剛石的耐高溫機(jī)理和耐高溫高強(qiáng)度的硼皮氮芯金剛石模型

1978年,芶老先生發(fā)表了《含硼黑金剛石的結(jié)構(gòu)與合成機(jī)理及其特殊性能的探討》的研究論文,提出了含硼黑金剛石的物理模型,闡述了它耐高溫的機(jī)理,并預(yù)言這種金剛石具有好的化學(xué)惰性。[3]在此理論指導(dǎo)下,芶清泉與他人合作成功地研制出了兼具優(yōu)良耐熱性與耐磨性的含硼黑金剛石聚晶。與此同時,他還提出了硼皮氮芯金剛石模型,為人工合成優(yōu)質(zhì)金剛石的研究工作提供了新的理論基礎(chǔ)。[9-11]

4 為超硬材料和高壓科學(xué)培養(yǎng)了大批優(yōu)秀人才

1974年,芶老先生認(rèn)為要想提高人造金剛石產(chǎn)品的水平,必須先提高技術(shù)人員的專業(yè)知識水平。經(jīng)與一機(jī)部協(xié)商并受一機(jī)部委托,吉林大學(xué)于1975年9月在貴陽第六砂輪廠舉辦了全國人造金剛石短訓(xùn)班。全國25個單位選送了46名工程技術(shù)人員參加為期3個月的學(xué)習(xí)。他親臨貴陽為學(xué)員講授人造金剛石合成機(jī)理,并深入合成車間與學(xué)員一起進(jìn)行人造金剛石實(shí)驗(yàn)。曾琴講授基礎(chǔ)理論和理化測量方法,熊大和講授人造金剛石合成工藝,本人講授靜高壓與動高壓產(chǎn)生與測量技術(shù)。

按照芶老先生的指示,我們邀請了中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所的王冠鑫講了X光結(jié)晶學(xué)的基本知識和粉晶結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)方法,請北京砂輪廠王公渭講了爆炸法生產(chǎn)人造金剛石的新技術(shù)。在學(xué)習(xí)班中,還交流了各單位生產(chǎn)高品級金剛石的經(jīng)驗(yàn)體會,推廣了各單位的幾項生產(chǎn)新技術(shù)。根據(jù)我筆記本上的記載,推廣的新技術(shù)主要有:冶金部桂林地質(zhì)研究所擴(kuò)大腔體提高產(chǎn)量和質(zhì)量的技術(shù),長沙冶金地質(zhì)研究所的觀察分析金剛石合成試棒的經(jīng)驗(yàn),天津砂輪廠的含硼石墨的使用效果分析,貴陽第六砂輪廠的葉蠟石粉末成型技術(shù),六砂的高壓釜鹼處理和搖床分選技術(shù),鄭州三磨所的人造金剛石聚晶和往復(fù)式增壓器等。最后一周,教師和同學(xué)們一起利用六砂的夜班壓機(jī)空閑時間,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。同學(xué)們進(jìn)行了大膽的科學(xué)實(shí)驗(yàn),通過自己的實(shí)驗(yàn)鞏固消化課堂上的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

芶老先生在吉林大學(xué)工作期間先后舉辦了人造金剛石進(jìn)修班、大專班、普通班、碩士研究生班。1983年調(diào)到成都科技大學(xué)后還招收了碩士、博士研究生。為人造金剛石行業(yè)培養(yǎng)了大批科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)軍人物和技術(shù)骨干,有效地推動了我國人造金剛石技術(shù)的發(fā)展。

他指導(dǎo)研究生成功地研制出了耐熱性好的透明硼皮金剛石,抗壓強(qiáng)度高、耐熱性好的粗顆粒金剛石,更高耐熱性的硼氮皮金剛石單晶,以及用于石油鉆頭的高耐熱高磨耗比聚晶。吉林大學(xué)吳代鳴、蘇文輝、吳紹曾、曾琴、熊大和、鄒廣田、徐洪山、金曾孫、郝兆印、張鐵臣、周渝和李永華等在芶先生指導(dǎo)下參加了相關(guān)的研究工作。

此外,芶先生還開展了金剛石薄膜的形成機(jī)理與原子分子設(shè)計的研究,構(gòu)建了合理化的理論模型和結(jié)構(gòu)設(shè)計,成功地合成出了大尺寸的優(yōu)質(zhì)金剛石薄膜。[12]

5 編寫了世界上第一部人造金剛石專著

1975年在舉辦我國首屆人造金剛石短訓(xùn)班時,國內(nèi)外沒有適用的教材,芶老先生提出我們自己編寫。他讓吳紹曾、曾琴和筆者到北京152廠(現(xiàn)人工晶體研究所)、上海砂輪廠等單位調(diào)研,派曾琴、熊大和與筆者到鄭州三磨所實(shí)習(xí)用六面頂壓機(jī)制造金剛石單晶和聚晶的技術(shù)。芶老先生領(lǐng)導(dǎo)幾位年輕教師共同編寫了《人造金剛石》一書,他自己寫基礎(chǔ)知識和人造金剛石合成機(jī)理,吳紹曾寫靜高壓的產(chǎn)生和測量,筆者寫動高壓的產(chǎn)生和測量,熊大和與鄒廣田寫金剛石合成工藝、曾琴寫原輔材料和金剛石的分析檢測,書稿經(jīng)王立中修改潤色后,由科學(xué)出版社于1975年出版,這是我國也是國際上的第一部人造金剛石專著。[2]

1977年,在上海交通大學(xué)固體物理專家方俊鑫教授的積極建議下,芶老先生在編寫《固體物理簡明教程》中,增加了“超硬材料”一章,全面論述了自己有特色的人造金剛石合成機(jī)理研究工作。這是面向高等學(xué)校理科物理專業(yè)高年級學(xué)生,介紹超硬材料的第一本固體物理教材,也成為吉林大學(xué)舉辦的一年制進(jìn)修班和4年制本科班的教材。該書由人民教育出版社于1978年出版。[4]

芶老先生對于人造金剛石合成機(jī)理的研究所作的貢獻(xiàn),大大促進(jìn)了中國和國外此方面技術(shù)的發(fā)展。國外學(xué)者認(rèn)為他的理論解決了金剛石合成中很多歷史遺留問題,引發(fā)了合成新方法和新產(chǎn)品的誕生。1985年8月上旬,美國諾頓克里斯坦森公司金剛石技術(shù)中心聘請他為顧問,并邀請他做了人造金剛石合成機(jī)理的研究報告。該公司人造金剛石專家宋健民博士高度評價了他的工作,表示芶先生的研究成果與他們長期的工作經(jīng)驗(yàn)相符合,很有價值。1990年以后芶先生曾三次應(yīng)邀去日本筑波大學(xué)和日本科技廳無機(jī)材料研究所進(jìn)行講學(xué)訪問,介紹了他在人造金剛石研究領(lǐng)域的理論思想和最新實(shí)驗(yàn)成果,并與日本人造金剛石發(fā)明家若槻雅男教授建立了長期合作關(guān)系,共同承擔(dān)了日本文部省下達(dá)的科研任務(wù),促進(jìn)了兩國間的交流與合作。

總之,芶清泉先生在我國人造金剛石發(fā)展的前期,深入實(shí)際,提出了系統(tǒng)的人造金剛石合成機(jī)理、金剛石粘接機(jī)理、含硼黑金剛石耐高溫機(jī)理、觸媒與石墨優(yōu)選原則和硼皮氮芯金剛石理論模型,編寫了《人造金剛石》專著、將超硬材料作為一章寫入《固體物理簡明教程》,通過舉辦全國人造金剛石短期學(xué)習(xí)班、進(jìn)修班、本科班和碩士研究生班和博士研究生,培養(yǎng)了一大批至今仍活躍在我國超硬材料行業(yè)第一線的技術(shù)骨干和業(yè)內(nèi)精英。

他的這些早期研究工作,已經(jīng)成為超硬材料領(lǐng)域的經(jīng)典文獻(xiàn),至今還被廣為引用,對我國超硬材料的發(fā)展仍有指導(dǎo)意義。我們重讀他的著作,還能受到啟迪,從中找到解決技術(shù)難題的方法。

芶老先生對人造金剛石的貢獻(xiàn)受到我國政府的表彰。1978年他當(dāng)選“全國優(yōu)秀科技工作者”,出席了國家科技大會。他的“人造金剛石合成機(jī)理”榮獲國家科技大會獎。芶老先生為中國人造金剛石的發(fā)展所做的杰出貢獻(xiàn)是歷史性的,是不可磨滅的。

[1] 芶清泉.高溫高壓下石墨變金剛石的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化機(jī)理[J].吉林大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,1974(2):52.

[2] 吉林大學(xué)固體物理教研室.人造金剛石[M].北京:科學(xué)出版社, 1975年10月.

[3] 芶清泉.含硼黑金剛石的結(jié)構(gòu)與合成機(jī)理及其特殊性能探討[J].人造金剛石,1977.

[4] 芶清泉.固體物理學(xué)簡明教程(第九章超硬材料)[M].北京:人民教育出版社,1978年5月.

[5] 芶清泉.人造金剛石聚晶的粘接機(jī)理[J].人造金剛石與砂輪, 1979(1).

[6] 芶清泉.高溫高壓石墨變金剛石的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化率[J].成都科技大學(xué)學(xué)報,1983(1):356.

[7] 芶清泉.人造金剛石合成機(jī)理研究[M].成都科技大學(xué)出版社, 1986.

[8] 芶清泉.硼皮金剛石的表面原子結(jié)構(gòu)[J].高壓物理學(xué)報,1987 (3):18.

[9] 芶清泉.天然金剛石形成透明硼皮金剛石的研究[J].高壓物理學(xué)報,1989(3):364.

[10] 芶清泉.透明硼皮金剛石的高壓合成研究[J].高壓物理學(xué)報, 1989(3):372.

[11] 芶清泉.硼皮金剛石的原子與分子設(shè)計,5-th CAMP90 (Chengdu).

[12] 芶清泉.金剛石薄膜的形成機(jī)理及原子分子設(shè)計,蔣翔六主編,金剛石薄膜研究進(jìn)展[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1991: 57.

Historic Contribution by Professor Gou Qingquan for Superhard Materials Development in China

ZOU Guang-tian
(National Key Laboratory of Superhard Materials,Jilin University Changchun,China 130012)

At the early development stage of the synthetic diamond technology in China, professor Gou Qingquan had successfully revealed the synthesis mechanism of synthetic diamond,bonding mechanism of diamond and the high temperature resistant mechanism of boracic black diamond.He presented the principle of accelerant and graphite optimization and the boron skin nitrogen core diamond model.His research work plays a very important role in the synthetic diamond development in China.He published the world’s first monograph about synthetic diamond named“Synthetic Diaomond”.Besides,in his another work named“Solid Physics Course”,there is one whole chapter on superhard materials.He opened the first short-term workshop and advanced course of synthetic diamond in China and trained a lot of bachelors,masters and doctors who work in the superhard material field.Many of them have become technical experts and elites in this industry.Professor Gou Qingquan has made an indelible historic contribution to the development of superhard material in China.

Gou Qingquan;synthetic diamond;diamond bonding;boracic black diamond; boron skin nitrogen core diamond;synthesis mechanism of synthetic diamond

TQ164

A

1673-1433(2014)02-0001-04

2014-06-10

鄒廣田(1938-),男,中國科學(xué)院院士,吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。