1、鉆石的魅力

　　自遠(yuǎn)古以來，金剛石(又稱鉆石)就引起人們的關(guān)注。這種極其稀有的礦物，大概在公元前3千年就在印度被發(fā)現(xiàn)，而實(shí)際上在公元前5世紀(jì)以前就為古希臘人所得知。

　　“金剛石”---源自阿拉伯字al-mas(“最硬的”)和希臘文“aδ aμas”，意思是“不可克制的”、“不可戰(zhàn)勝的”、“不可摧毀的”。

　　金剛石不僅硬度遠(yuǎn)超過其它物質(zhì)，更具有許多另外的“第一”。比如，金剛石的硬度是立方碳化硅的3倍，耐磨性是氧化鋁的5倍，抗壓強(qiáng)度是碳化鎢的20倍，傳聲速率是鋼的3倍，傳熱速率是銀的4倍，電洞移動速率是硅晶的2.5倍。金剛石的透光領(lǐng)域和化學(xué)惰性(500℃以下)也大幅度超過其它材料。此外，金剛石具有極高的電阻率、折射率、抗幅射性，以及極低的熱膨脹系數(shù)、摩擦系數(shù)、比熱等。由于有這些無與倫比的冠軍特質(zhì)，金剛石在每一應(yīng)用領(lǐng)域都會成為不可替代的極品。

　　金剛石不僅是宇宙最普遍的物質(zhì)，它也是人類最有用的材料。未來金剛石將成為電子元件最有效的散熱片、輻射光源最明亮的透視窗、化學(xué)盛具最穩(wěn)定的保護(hù)膜、機(jī)械密封最滑溜的軸承面、生醫(yī)材料最適用的介層面、乃至資訊傳遞最快速的半導(dǎo)體。因此，我們期待人類可使用豐富的金剛石建立更燦爛的物質(zhì)文明，使我們的子孫進(jìn)入永恒的“鉆石時代”。如此令人向往的美好前景誰來開拓，我們!因?yàn)槲覀冃枰?

　　2、百年探秘 終荻成功

　　金剛石雖然早在公元前三千年就在印度被發(fā)現(xiàn)，但對它的性質(zhì)卻一直是個謎。直至17世紀(jì)末葉才發(fā)現(xiàn)金剛石具有可燃的屬性。于是，英國的化學(xué)家、德國的物理學(xué)家都紛紛登場揭秘。遺憾的是，在過去的石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸脑囼?yàn)條件中，只有高溫而缺乏足夠高的壓力，因此，石墨是不可能轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸摹?/span>

　　雖然過去的許多嘗試都失敗了，但這些研究工作卻為后來的成功指明了方向。使人們清楚地認(rèn)識到制造金剛石的過程是一個高壓高溫過程，也就是說，石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸挥性诔邏焊邷赝瑫r存在的條件下才有可能實(shí)現(xiàn)。

　　1938年，Rossini和Jessup發(fā)表了他們計(jì)算所得到的金剛石(D)-石墨(G)平衡線;1939年，Liepumsky發(fā)表了他計(jì)算的D-G平衡線;1947年，P.W.Brigman發(fā)表了他計(jì)算的D-G平衡線，解決了合成金剛石需要超高壓高溫的理論問題，即從理論上提供了依據(jù)。

　　正因?yàn)槿嗽旖饎偸L理論和高溫高壓技術(shù)的日趨成熟，昭示了人造金剛石的誕生已噪動于母腹，即將來到人間。

　　1954年美國GE公司宣布了人造金剛石合成成功，瑞典則宣布1953年就合成出了金剛石，1959年南非、1960年蘇聯(lián)和日本相繼都宣告合成出了人造金剛石。外國的成就說明金剛石用人工生產(chǎn)不再是不可逾越的課題。當(dāng)時這種技術(shù)對中國來說是完全封閉的。然而，先行者的成功之例，對中國來說在這方面進(jìn)行嘗試，已不再是不可行的事，合成中國自已的金剛石對科技工作者增強(qiáng)了決心和信心。

　　3、使命光榮 責(zé)任重大

　　中國開發(fā)人造金剛石的工作始于上個世紀(jì)60年代初。同一戰(zhàn)場，有兩個軍團(tuán)，即科學(xué)院(國家級)與部級兩路大軍幾乎是在同一個年代，不約而同地向自然稀有且珍貴的人工合成金剛石技術(shù)開戰(zhàn)。一個是為學(xué)科發(fā)展而戰(zhàn)，另一是為工業(yè)急需求這種產(chǎn)品而戰(zhàn)。我們的開發(fā)工作的進(jìn)程，不可能像中科院那樣是遠(yuǎn)景性的，而我們的戰(zhàn)斗則是“十萬分火急”的，要求速戰(zhàn)速決，研發(fā)進(jìn)程越短越好!一萬年太久，只爭朝夕呀!我們團(tuán)隊(duì)經(jīng)過一千多個晝夜的奮戰(zhàn)結(jié)束了戰(zhàn)斗。為此，我們榮獲了1978年全國科學(xué)大會獎。

　　3.1 科學(xué)院團(tuán)隊(duì)

　　國家級團(tuán)隊(duì)中的成員單位有：中國科學(xué)院物理研究所和中國科學(xué)院地質(zhì)研究所。部級團(tuán)隊(duì)中的成員單位有：一機(jī)部迫通用機(jī)械研究所、一機(jī)部磨料磨具磨削研究所和地質(zhì)部地質(zhì)科學(xué)研究院。科學(xué)院團(tuán)隊(duì)是由何壽安教授、章元龍教授領(lǐng)銜的。

　　沈主同在“我國人造金剛石研究的若干進(jìn)展”一文中指出，由于五十年代中、后期間國際已報道了采用靜態(tài)高壓的人工合成方法在實(shí)驗(yàn)室獲得磨料級金剛石。所以高壓方法受到科技工作者的極大關(guān)注，因此高壓相變與合成項(xiàng)目就成為我國制定自然科學(xué)十二年學(xué)科發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃中國物理學(xué)科、高壓物理分支學(xué)科的重點(diǎn)項(xiàng)目。這也是五十年代末中科院物理研究所把人造金剛石項(xiàng)目作為籌建高壓物理分支學(xué)科的重要內(nèi)容和在1962年建立高壓物理研究室時該項(xiàng)目成為重點(diǎn)項(xiàng)目組的背景。

　　李達(dá)明，劉光照在“三十多年的歷程”一文中告訴我們：中國科學(xué)院地質(zhì)研究所礦物研究室的方向著重于應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在章元龍教授領(lǐng)導(dǎo)下，1960年開始開展多項(xiàng)人工晶體生長項(xiàng)目。當(dāng)時，金剛石項(xiàng)目被中國科學(xué)院稱為“五朵金花”之一，它是五項(xiàng)難度最大的項(xiàng)目。

　　在分析國際上報道的幾種類型的超高壓高溫裝置的優(yōu)缺點(diǎn)后，章先生于1962年想出了一個具有450鈄滑面的“單向加載四對斜滑面式立方體(六面體)超高壓高溫裝置”。由于地質(zhì)研究所加工力量薄弱，至1965年裝置研制成功并生產(chǎn)出金剛石。

　　3.2 部級團(tuán)隊(duì)

　　1960年國際風(fēng)云突變。金剛石來源斷絕，嚴(yán)重影響到我國社會主義建設(shè)進(jìn)程。如所周知，我國天然金剛石資源極為稀缺的國家，解決金剛石的來源問題成為迫切需要解決的重要課題。于是，這年的10月國家下達(dá)了研制人造金剛石的任務(wù)。此項(xiàng)任務(wù)由第一機(jī)械工業(yè)部通用機(jī)械研究所、磨料磨具磨削研究所和地質(zhì)部地質(zhì)科學(xué)研究院協(xié)作開展工作。

　　超硬磨料金剛石落腳磨料所完全與研究所基本任務(wù)之一發(fā)展新磨料和新磨具相一致，并與其宗旨集磨料-磨具-磨削，即材料-制品-應(yīng)用于一體相吻合。接任務(wù)后，我們立即組成了強(qiáng)有力的代號為121課題小組，其中于鴻昌和我是學(xué)化學(xué)的，在大學(xué)里學(xué)習(xí)過物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)等基礎(chǔ)理論課程。這樣的知識結(jié)構(gòu)是其從事金剛石研究工作的第一個優(yōu)勢。于鴻昌和我的笫二個實(shí)踐優(yōu)勢是分別曾在蘇聯(lián)和東德學(xué)過碳化硅冶煉技術(shù)。碳化硅冶煉過程中會出現(xiàn)一種稱之碳化硅的分解石墨，這種石墨的純度很高，而且冶煉碳化硅所用的冶金焦炭、瀝青焦炭等原料均為碳素材料。這些知識在我們參與人造金剛石合成技術(shù)的研究時都派上了用場。

　　通用機(jī)械研究所：負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造高溫高壓設(shè)備，壓力測量及組織工作。

　　地質(zhì)科學(xué)研究院：負(fù)責(zé)傳壓絕緣材料的選擇及測溫工作。

　　磨料磨具磨削研究所：負(fù)責(zé)合成工藝及分析。

　　合作的原則：分工不分家。

　　參與聯(lián)合攻關(guān)的成員：通用機(jī)械研究所：練元堅(jiān)、胡恩良、許錦楓、張永華、金秋野、柳開忠和杜福昌；地質(zhì)科學(xué)研究院：姚裕成、熊文松、周紀(jì)堂、孫榮傳;磨料磨具磨削研究所：于鴻昌、王光祖、盧飛雄、余征民和李進(jìn)保。

　　實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：北京通用機(jī)械研究所辦公大樓地下實(shí)驗(yàn)室。

　　從此，我就與金剛石事業(yè)結(jié)下了終生之緣。我是學(xué)化學(xué)的，但對金剛石的合成技術(shù)怎么回事，卻一無所知，腦海中一片空白。國家有難匹夫有責(zé)!我們是新中國培養(yǎng)的工程技術(shù)人員，先國家之憂而憂，我們這代年輕人不去承擔(dān)誰來承擔(dān)?

　　我們迅速展開了調(diào)查研究，收集、閱讀了大量的有關(guān)金剛石生長的資料，寫出了《人造金剛石合成工藝基礎(chǔ)》供制訂試驗(yàn)實(shí)施之用。并通過對資料的分析，明確了對如下幾個問題的認(rèn)識：

　　(1)石墨與金剛石是碳的同素異形體，從它們的晶體結(jié)構(gòu)分析，具有相互轉(zhuǎn)化的內(nèi)因，就是說，在特定的條件下，不僅在理論上講，以石墨作原料來制取金剛石是可行，而且這點(diǎn)已為GE公司的實(shí)驗(yàn)所證明;

　　(2)石墨只有在超高壓高溫同時存在的條件下才能向金剛石的轉(zhuǎn)變;

　　(3)在沒有催化劑參與的條件下，雖然石墨能向金剛石轉(zhuǎn)變，但所需要的壓力溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有催化劑參與下的高壓高溫條件。顯然，前者是不可取的。

　　上面的問題怎樣解決?則是我們需要去設(shè)計(jì)、去探究的。

　　4 理論依據(jù) 實(shí)施綱要

　　根據(jù)《人造金剛石合成工藝基礎(chǔ)》編寫提綱的要求，我們著重對石墨—金剛石轉(zhuǎn)變過程中熱力學(xué)條件的分析及其平衡曲線的討論、石墨—金剛石轉(zhuǎn)變過程中動力學(xué)條件的分析、石墨—金剛石轉(zhuǎn)化過程的催化、試樣加熱方法的討論和加溫加壓過程的分析。在分析上述問題的過程中，曾向北京大學(xué)化學(xué)系孫承諤教授和華東紡織工學(xué)院化學(xué)系染化教研組陳美華老師請教過有關(guān)理論問題。提出了關(guān)于《人造金剛石合成工藝基礎(chǔ)》編寫原則的幾點(diǎn)考慮：1、為人造金剛石晶體生長第一階段實(shí)驗(yàn)提供理論上的依據(jù);2、通過對石墨—金剛石轉(zhuǎn)變過程的熱力學(xué)和動力學(xué)條件，以及觸媒在這一轉(zhuǎn)變過程中的作用的初步分析，來了解金剛石晶體生長的一般規(guī)律;3、有關(guān)金剛石晶體生長的細(xì)節(jié)問題，如活化能、反應(yīng)速率的計(jì)算等問題在編寫人造金剛石工藝基礎(chǔ)(第一階段)一文時暫不加考慮，但必須指出，這一理論工作是一定要做的。

　　在攻堅(jiān)戰(zhàn)打響前的一次小組會議上，我就“人造金剛石合成工藝實(shí)施方案”向課題小組的成員做了詳細(xì)說明。參加者有：于鴻昌 盧飛雄 胡恩良 金秋野 許錦楓 余征民 周紀(jì)堂 姚裕成 柳開忠 熊文松 張永華。

　　報告共分三大部分：

　　1、序言

　　從所發(fā)表的有關(guān)資料來看，人造金剛石合成技術(shù)的研究中心已在好些國家建立起來，正在大力展開這方面的研究工作，并取得顯著成效。這一技術(shù)輪廓雖有透露，但關(guān)鍵性的細(xì)節(jié)問題仍屬保密，有待我國科學(xué)工作者去研究解決。因此，我們認(rèn)為：(1)天然金剛石不能滿足科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求，必須走人工合成之路;(2)從國內(nèi)天然資源少，需求量多，必須迅速地掌握人造金剛石晶體生長這一門新技術(shù)。

　　2、人造金剛石研究簡史

　　1880年英國化學(xué)家Hannery，1894年法國著名物理學(xué)家Moissan和1935～1940年美國杰出高壓物理研究者P.W.Bridgman等幾個著名人物主導(dǎo)的幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，對20世紀(jì)50年代人們掌握人造金剛石合成技術(shù)做出了貢獻(xiàn)。清楚地證明，人造金剛石的合成過程必須是一個超高壓、高溫同時并舉的過程，也就是說，只有在超高壓高溫同時存在的條件下金剛石生成才有可能。

　　3、石墨—金剛石轉(zhuǎn)變過程中熱力學(xué)條件分析及其平衡曲線的討論

　　熱力學(xué)原理及其數(shù)據(jù)是計(jì)算與討論石墨—金剛石平衡曲線的基礎(chǔ)，也就是說，在研究石墨—金剛石的轉(zhuǎn)變過程中，首先應(yīng)考慮到的是熱力學(xué)問題，因?yàn)闊崃W(xué)的計(jì)算使我們能夠預(yù)測石墨金—剛石轉(zhuǎn)變過程的方向問題，從而為研究這一轉(zhuǎn)變過程提供理論上的依據(jù)。

　　(1)熱力學(xué)基礎(chǔ)
　　(2) 平衡曲線的計(jì)算
　　(3) 平衡曲線的討論
　　(4) 石墨金剛石轉(zhuǎn)變過程中動力學(xué)條件的分析
　　(5)石墨—金剛石轉(zhuǎn)變過程的催化
　　(6)關(guān)于選擇觸媒問題的考慮。
　　(7)試樣加入方法的討論
　　(8)試樣加熱方法的討論
　　(9)加壓加溫過程分析

　　5 沒錯就是D

　　我們以經(jīng)過計(jì)算的石墨-金剛石平衡曲線為理論依據(jù)展開了實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)過失敗、改進(jìn)、再失敗、再改進(jìn)的艱苦探索，終于1963年12月6日晚上在北京通用機(jī)械研究所高壓試驗(yàn)室，在我國自行設(shè)計(jì)與制造的61型兩面頂超高壓裝置上，合成出了中國第一顆人造金剛石。參加這試驗(yàn)的人員有：通用機(jī)械研究所的胡恩良、許錦楓、張永華和杜福昌，磨料磨具磨削研究所的王光祖、盧飛雄和李進(jìn)保等。

　　記得，這天晚上在一組方案編號為第32次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，合成棒中有閃閃發(fā)亮的晶體神秘地出現(xiàn)了，用這種晶體刻劃玻璃時，耳聞到清脆的吱吱聲，這聲音是金剛石降臨華夏大地的一種信號。晶體經(jīng)酸處理及重液分離后，獲得粒徑為20～30μ的黃綠色晶體。X射線分析證明，合成出的樣品，其譜線與天然金剛石及美國和日本的人造金剛石樣品譜線全同，說明識該黃綠色晶體是金剛石，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所列。

　　表1 我國合成樣品與國外、天然金剛石譜線數(shù)據(jù)比較

　　因?yàn)檎n題所研制的金剛石是保密的，如果所合成的樣品中有金剛石，其聯(lián)合暗號為D，即Diamond的第一字母。1963年12月10晚我們接到于鴻昌發(fā)來的電報，電文未譯出來，已經(jīng)晚9點(diǎn)，胡恩良和唐梓敬一同到天橋郵局，找到譯員，當(dāng)看到譯出的電文“發(fā)現(xiàn)有D譜線”時，我們高興極了，三年來的辛苦勞動看到了曙光。實(shí)驗(yàn)室再次響起歡呼聲，我們成功了!我們成功了呀!是毛澤東思想的偉大勝利，是毛主席革命路線的偉大勝利，是社會主義大協(xié)作的成果。

　　磨料磨具磨削研究所把上述結(jié)果報告了部科技司，為了慎重，科技司領(lǐng)導(dǎo)指示，應(yīng)請國家權(quán)威院所做復(fù)驗(yàn)，于是指派汪華榮進(jìn)京求助于他鋼鐵研究院的老師，他老師的鑒定結(jié)果出來后，對汪華榮說，你的結(jié)果沒有錯，就是D呀!祝賀你們?yōu)閲易隽藗€大貢獻(xiàn)呀!

　　6、 結(jié)束語

　　國家科委于1963年10月正式下達(dá)“人造金剛石試驗(yàn)研究”項(xiàng)目給一機(jī)部。由于是尖端科技保密性極強(qiáng)，命名為“121”課題。鄭州磨料磨具磨刺削研究所門牌的“121”號，就是以“121”課題的121來定的。磨料磨具磨削研究所喬遷到鄭州國家高新技術(shù)開發(fā)區(qū)后的門牌號經(jīng)上級持批仍為121，意義深遠(yuǎn)。1963年12月6日我國第一顆人造金剛石的誕生，是在國家精心組織與關(guān)懷下，由上述三個研究院所聯(lián)合攻關(guān)，在北京通用機(jī)械研究所地下實(shí)驗(yàn)室所取得的，是多學(xué)科合力的結(jié)晶、集體智慧的結(jié)晶。笫一顆人造金剛石出來后，三家的協(xié)作關(guān)系也就畫上了一個句號。我們深知，這只是人造金剛石工業(yè)生產(chǎn)萬里長征征途中的第一步，人造金剛石產(chǎn)我化的道路正有待于我們?nèi)ラ_創(chuàng)。(文/王光祖 鄭州磨料磨具磨削研究所) 參考文獻(xiàn)(略)