芶清泉教授对我国超硬材料的历史性贡献①

邹广田

(吉林大学超硬材料国家重点实验室,长春130012)

芶清泉教授对我国超硬材料的历史性贡献①

邹广田

(吉林大学超硬材料国家重点实验室,长春130012)

芶清泉教授在我国人造金刚石发展的初期,揭示了人造金刚石合成机理、金刚石粘接机理、含硼黑金刚石耐高温机理。他提出了触媒与石墨优选原则和硼皮氮芯金刚石模型。他的工作对中国人造金刚石的发展起了重要作用。他出版了世界第一本《人造金刚石》专著、并将超硬材料作为一章写入他的《固体物理简明教程》。他举办了全国第一个人造金刚石短期学习班、进修班,培养出一大批工作在超硬材料领域的学士、硕士和博士,他们很多人已成为技术骨干和业内精英。芶清泉教授对我国超硬材料的发展做出了不可磨灭的历史性的贡献。

芶清泉;人造金刚石;金刚石粘接;含硼黑金刚石;硼皮氮芯金刚石;人造金刚石合成机理

芶清泉老先生是吉林大学物理学科的创建者之一,也是吉林大学固体物理专业和高温高压物理与超硬材料研究方向的开拓者。我于1965年底在芶老先生的指导下完成了研究生学业后留校工作,参加了芶老先生领导下的人造金刚石早期的研究和教学工作。现将芶老先生对我国超硬材料发展的历史性贡献做一简要回顾。

1 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,在芶老先生带领下,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。当时用的是200吨的年轮式两面顶压机,触媒是镍铬铁合金片,碳源是炉芯石墨,传压介质是叶蜡石,密封材料是碗状多层金属片和叶蜡石相间的复合材料。这项工作只进行了2～3个月,因教师下放农村插队落户而终止。1972年春,芶清泉先生再次带领刚从农村下放2年回校的年轻教师吴绍曾、曾琴和我到一汽工具分厂做提高人造金刚石品质的实验。

当时,一汽的技术人员问芶老先生,这么软的石墨为什么能在高温高压下变成坚硬的金刚石?怎样才能提高人造金刚石质量?为了回答这个问题,芶老先生多次深入不同工厂调研,从生产的技术难题中,凝练出重大科学问题:人造金刚石合成机理。它既有重大科学意义又能对生产具有重大指导作用。经过认真研究,芶老先生于1972年,在北京152厂报告了“由石墨直接转变成金刚石的机理”,并发表在该厂的《人工晶体》1972年2期。

他在1973年6月郑州召开的“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,并于1974年在《吉林大学自然科学学报》上发表[1]。在这篇文章中,芶老先生提出了石墨直接转变为金刚石的结构转化机理、加触媒促使石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、低熔点和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,芶老先生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,厂家免费赠送给参加郑州会议的各单位2公斤,在人造金刚石合成实验中试用。当时人造金刚石所用的触媒多为镍铬铁。芶老先生领导的研究集体还参加了长沙矿院研制的镍锰钴触媒。长沙矿院研制的镍锰钴触媒,在生产中长期使用,一直延续到本世纪初。

同年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,在长春举行了全国“人造金刚石专用石墨座谈会”。芶老先生和郑州三磨所司振桐所长共同主持了会议,我和王光祖是会议秘书。除金刚石研制单位外,还有吉林碳素厂、自贡碳素厂、哈尔滨电碳厂等石墨生产厂家。会上交流了经验,通过讨论,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。这些人造金刚石专用石墨,在我国一直使用到本世纪初,才被粉末石墨全面取代。

2 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。芶老先生从固体表面与界面的原子的分布与电子状态入手,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:结构对应原则、定向成键原则和低熔点原则。这与金刚石的触媒优选原则相同。即金刚石的最好的触媒都可以作为它的最好的粘结剂。[5]

3 提出了含硼黑金刚石的耐高温机理和耐高温高强度的硼皮氮芯金刚石模型

1978年,芶老先生发表了《含硼黑金刚石的结构与合成机理及其特殊性能的探讨》的研究论文,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。[3]在此理论指导下,芶清泉与他人合作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。与此同时,他还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。[9-11]

4 为超硬材料和高压科学培养了大批优秀人才

1974年,芶老先生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。全国25个单位选送了46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,并深入合成车间与学员一起进行人造金刚石实验。曾琴讲授基础理论和理化测量方法,熊大和讲授人造金刚石合成工艺,本人讲授静高压与动高压产生与测量技术。

按照芶老先生的指示,我们邀请了中国科学院地球化学研究所的王冠鑫讲了X光结晶学的基本知识和粉晶结构分析实验方法,请北京砂轮厂王公渭讲了爆炸法生产人造金刚石的新技术。在学习班中,还交流了各单位生产高品级金刚石的经验体会,推广了各单位的几项生产新技术。根据我笔记本上的记载,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的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,六砂的高压釜硷处理和摇床分选技术,郑州三磨所的人造金刚石聚晶和往复式增压器等。最后一周,教师和同学们一起利用六砂的夜班压机空闲时间,进行实验教学。同学们进行了大胆的科学实验,通过自己的实验巩固消化课堂上的学习内容。

芶老先生在吉林大学工作期间先后举办了人造金刚石进修班、大专班、普通班、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学与技术领军人物和技术骨干,有效地推动了我国人造金刚石技术的发展。

他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、苏文辉、吴绍曾、曾琴、熊大和、邹广田、徐洪山、金曾孙、郝兆印、张铁臣、周渝和李永华等在芶先生指导下参加了相关的研究工作。

此外,芶先生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。[12]

5 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,芶老先生提出我们自己编写。他让吴绍曾、曾琴和笔者到北京152厂(现人工晶体研究所)、上海砂轮厂等单位调研,派曾琴、熊大和与笔者到郑州三磨所实习用六面顶压机制造金刚石单晶和聚晶的技术。芶老先生领导几位年轻教师共同编写了《人造金刚石》一书,他自己写基础知识和人造金刚石合成机理,吴绍曾写静高压的产生和测量,笔者写动高压的产生和测量,熊大和与邹广田写金刚石合成工艺、曾琴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。[2]

1977年,在上海交通大学固体物理专家方俊鑫教授的积极建议下,芶老先生在编写《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研究工作。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,也成为吉林大学举办的一年制进修班和4年制本科班的教材。该书由人民教育出版社于1978年出版。[4]

芶老先生对于人造金刚石合成机理的研究所作的贡献,大大促进了中国和国外此方面技术的发展。国外学者认为他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聘请他为顾问,并邀请他做了人造金刚石合成机理的研究报告。该公司人造金刚石专家宋健民博士高度评价了他的工作,表示芶先生的研究成果与他们长期的工作经验相符合,很有价值。1990年以后芶先生曾三次应邀去日本筑波大学和日本科技厅无机材料研究所进行讲学访问,介绍了他在人造金刚石研究领域的理论思想和最新实验成果,并与日本人造金刚石发明家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下达的科研任务,促进了两国间的交流与合作。

总之,芶清泉先生在我国人造金刚石发展的前期,深入实际,提出了系统的人造金刚石合成机理、金刚石粘接机理、含硼黑金刚石耐高温机理、触媒与石墨优选原则和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》,通过举办全国人造金刚石短期学习班、进修班、本科班和硕士研究生班和博士研究生,培养了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。

他的这些早期研究工作,已经成为超硬材料领域的经典文献,至今还被广为引用,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。

芶老先生对人造金刚石的贡献受到我国政府的表彰。1978年他当选“全国优秀科技工作者”,出席了国家科技大会。他的“人造金刚石合成机理”荣获国家科技大会奖。芶老先生为中国人造金刚石的发展所做的杰出贡献是历史性的,是不可磨灭的。

[1] 芶清泉.高温高压下石墨变金刚石的结构转化机理[J].吉林大学自然科学学报,1974(2):52.

[2] 吉林大学固体物理教研室.人造金刚石[M].北京:科学出版社, 1975年10月.

[3] 芶清泉.含硼黑金刚石的结构与合成机理及其特殊性能探讨[J].人造金刚石,1977.

[4] 芶清泉.固体物理学简明教程(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.人造金刚石聚晶的粘接机理[J].人造金刚石与砂轮, 1979(1).

[6] 芶清泉.高温高压石墨变金刚石的结构转化率[J].成都科技大学学报,1983(1):356.

[7] 芶清泉.人造金刚石合成机理研究[M].成都科技大学出版社, 1986.

[8] 芶清泉.硼皮金刚石的表面原子结构[J].高压物理学报,1987 (3):18.

[9] 芶清泉.天然金刚石形成透明硼皮金刚石的研究[J].高压物理学报,1989(3):364.

[10] 芶清泉.透明硼皮金刚石的高压合成研究[J].高压物理学报, 1989(3):372.

[11] 芶清泉.硼皮金刚石的原子与分子设计,5-th CAMP90 (Chengdu).

[12] 芶清泉.金刚石薄膜的形成机理及原子分子设计,蒋翔六主编,金刚石薄膜研究进展[M].北京:化学工业出版社,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

邹广田(1938-),男,中国科学院院士,吉林大学超硬材料国家重点实验室主任。