1、鉆石的魅力

　　自遠古以來，金剛石(又稱鉆石)就引起人們的關注。這種極其稀有的礦物，大概在公元前3千年就在印度被發現，而實際上在公元前5世紀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”、“不可戰勝的”、“不可摧毀的”。

　　金剛石不僅硬度遠超過其它物質，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。金剛石的透光領域和化學惰性(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、摩擦系數、比熱等。由于有這些無與倫比的冠軍特質，金剛石在每一應用領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，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、化學盛具最穩定的保護膜、機械密封最滑溜的軸承面、生醫材料最適用的介層面、乃至資訊傳遞最快速的半導體。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文明，使我們的子孫進入永恒的“鉆石時代”。如此令人向往的美好前景誰來開拓，我們!因為我們需要它!

　　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現，但對它的性質卻一直是個謎。直至17世紀末葉才發現金剛石具有可燃的屬性。于是，英國的化學家、德國的物理學家都紛紛登場揭秘。遺憾的是，在過去的石墨轉變為金剛石的試驗條件中，只有高溫而缺乏足夠高的壓力，因此，石墨是不可能轉變為金剛石的。

　　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，石墨轉變為金剛石只有在超高壓高溫同時存在的條件下才有可能實現。

　　1938年，Rossini和Jessup發表了他們計算所得到的金剛石(D)-石墨(G)平衡線;1939年，Liepumsky發表了他計算的D-G平衡線;1947年，P.W.Brigman發表了他計算的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。

　　正因為人造金剛石生長理論和高溫高壓技術的日趨成熟，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不再是不可逾越的課題。當時這種技術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了決心和信心。

　　3、使命光榮 責任重大

　　中國開發人造金剛石的工作始于上個世紀60年代初。同一戰場，有兩個軍團，即科學院(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開戰。一個是為學科發展而戰，另一是為工業急需求這種產品而戰。我們的開發工作的進程，不可能像中科院那樣是遠景性的，而我們的戰斗則是“十萬分火急”的，要求速戰速決，研發進程越短越好!一萬年太久，只爭朝夕呀!我們團隊經過一千多個晝夜的奮戰結束了戰斗。為此，我們榮獲了1978年全國科學大會獎。

　　3.1 科學院團隊

　　國家級團隊中的成員單位有：中國科學院物理研究所和中國科學院地質研究所。部級團隊中的成員單位有：一機部迫通用機械研究所、一機部磨料磨具磨削研究所和地質部地質科學研究院。科學院團隊是由何壽安教授、章元龍教授領銜的。

　　沈主同在“我國人造金剛石研究的若干進展”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高壓的人工合成方法在實驗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注，因此高壓相變與合成項目就成為我國制定自然科學十二年學科發展遠景規劃中國物理學科、高壓物理分支學科的重點項目。這也是五十年代末中科院物理研究所把人造金剛石項目作為籌建高壓物理分支學科的重要內容和在1962年建立高壓物理研究室時該項目成為重點項目組的背景。

　　李達明，劉光照在“三十多年的歷程”一文中告訴我們：中國科學院地質研究所礦物研究室的方向著重于應用基礎研究，在章元龍教授領導下，1960年開始開展多項人工晶體生長項目。當時，金剛石項目被中國科學院稱為“五朵金花”之一，它是五項難度最大的項目。

　　在分析國際上報道的幾種類型的超高壓高溫裝置的優缺點后，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”。由于地質研究所加工力量薄弱，至1965年裝置研制成功并生產出金剛石。

　　3.2 部級團隊

　　1960年國際風云突變。金剛石來源斷絕，嚴重影響到我國社會主義建設進程。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月國家下達了研制人造金剛石的任務。此項任務由第一機械工業部通用機械研究所、磨料磨具磨削研究所和地質部地質科學研究院協作開展工作。

　　超硬磨料金剛石落腳磨料所完全與研究所基本任務之一發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-應用于一體相吻合。接任務后，我們立即組成了強有力的代號為121課題小組，其中于鴻昌和我是學化學的，在大學里學習過物質結構、化學熱力學、化學動力學等基礎理論課程。這樣的知識結構是其從事金剛石研究工作的第一個優勢。于鴻昌和我的笫二個實踐優勢是分別曾在蘇聯和東德學過碳化硅冶煉技術。碳化硅冶煉過程中會出現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的研究時都派上了用場。

　　通用機械研究所：負責設計制造高溫高壓設備，壓力測量及組織工作。

　　地質科學研究院：負責傳壓絕緣材料的選擇及測溫工作。

　　磨料磨具磨削研究所：負責合成工藝及分析。

　　合作的原則：分工不分家。

　　參與聯合攻關的成員：通用機械研究所：練元堅、胡恩良、許錦楓、張永華、金秋野、柳開忠和杜福昌；地質科學研究院：姚裕成、熊文松、周紀堂、孫榮傳;磨料磨具磨削研究所：于鴻昌、王光祖、盧飛雄、余征民和李進保。

　　實驗地點：北京通用機械研究所辦公大樓地下實驗室。

　　從此，我就與金剛石事業結下了終生之緣。我是學化學的，但對金剛石的合成技術怎么回事，卻一無所知，腦海中一片空白。國家有難匹夫有責!我們是新中國培養的工程技術人員，先國家之憂而憂，我們這代年輕人不去承擔誰來承擔?

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

　　(1)石墨與金剛石是碳的同素異形體，從它們的晶體結構分析，具有相互轉化的內因，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，而且這點已為GE公司的實驗所證明;

　　(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變;

　　(3)在沒有催化劑參與的條件下，雖然石墨能向金剛石轉變，但所需要的壓力溫度遠遠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?則是我們需要去設計、去探究的。

　　4 理論依據 實施綱要

　　根據《人造金剛石合成工藝基礎》編寫提綱的要求，我們著重對石墨—金剛石轉變過程中熱力學條件的分析及其平衡曲線的討論、石墨—金剛石轉變過程中動力學條件的分析、石墨—金剛石轉化過程的催化、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，曾向北京大學化學系孫承諤教授和華東紡織工學院化學系染化教研組陳美華老師請教過有關理論問題。提出了關于《人造金剛石合成工藝基礎》編寫原則的幾點考慮：1、為人造金剛石晶體生長第一階段實驗提供理論上的依據;2、通過對石墨—金剛石轉變過程的熱力學和動力學條件，以及觸媒在這一轉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律;3、有關金剛石晶體生長的細節問題，如活化能、反應速率的計算等問題在編寫人造金剛石工藝基礎(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。

　　在攻堅戰打響前的一次小組會議上，我就“人造金剛石合成工藝實施方案”向課題小組的成員做了詳細說明。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

　　從所發表的有關資料來看，人造金剛石合成技術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。這一技術輪廓雖有透露，但關鍵性的細節問題仍屬保密，有待我國科學工作者去研究解決。因此，我們認為：(1)天然金剛石不能滿足科學技術發展的要求，必須走人工合成之路;(2)從國內天然資源少，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。

　　2、人造金剛石研究簡史

　　1880年英國化學家Hannery，1894年法國著名物理學家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的幾項實驗，對20世紀50年代人們掌握人造金剛石合成技術做出了貢獻。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—金剛石轉變過程中熱力學條件分析及其平衡曲線的討論

　　熱力學原理及其數據是計算與討論石墨—金剛石平衡曲線的基礎，也就是說，在研究石墨—金剛石的轉變過程中，首先應考慮到的是熱力學問題，因為熱力學的計算使我們能夠預測石墨金—剛石轉變過程的方向問題，從而為研究這一轉變過程提供理論上的依據。

　　(1)熱力學基礎
　　(2) 平衡曲線的計算
　　(3) 平衡曲線的討論
　　(4) 石墨金剛石轉變過程中動力學條件的分析
　　(5)石墨—金剛石轉變過程的催化
　　(6)關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

　　我們以經過計算的石墨-金剛石平衡曲線為理論依據展開了實驗研究。經過失敗、改進、再失敗、再改進的艱苦探索，終于1963年12月6日晚上在北京通用機械研究所高壓試驗室，在我國自行設計與制造的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。參加這試驗的人員有：通用機械研究所的胡恩良、許錦楓、張永華和杜福昌，磨料磨具磨削研究所的王光祖、盧飛雄和李進保等。

　　記得，這天晚上在一組方案編號為第32次試驗中發現，合成棒中有閃閃發亮的晶體神秘地出現了，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，詳細數據如表1所列。

　　表1 我國合成樣品與國外、天然金剛石譜線數據比較

　　因為課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來的電報，電文未譯出來，已經晚9點，胡恩良和唐梓敬一同到天橋郵局，找到譯員，當看到譯出的電文“發現有D譜線”時，我們高興極了，三年來的辛苦勞動看到了曙光。實驗室再次響起歡呼聲，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，是社會主義大協作的成果。

　　磨料磨具磨削研究所把上述結果報告了部科技司，為了慎重，科技司領導指示，應請國家權威院所做復驗，于是指派汪華榮進京求助于他鋼鐵研究院的老師，他老師的鑒定結果出來后，對汪華榮說，你的結果沒有錯，就是D呀!祝賀你們為國家做了個大貢獻呀!

　　6、 結束語

　　國家科委于1963年10月正式下達“人造金剛石試驗研究”項目給一機部。由于是尖端科技保密性極強，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開發區后的門牌號經上級持批仍為121，意義深遠。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懷下，由上述三個研究院所聯合攻關，在北京通用機械研究所地下實驗室所取得的，是多學科合力的結晶、集體智慧的結晶。笫一顆人造金剛石出來后，三家的協作關系也就畫上了一個句號。我們深知，這只是人造金剛石工業生產萬里長征征途中的第一步，人造金剛石產我化的道路正有待于我們去開創。(文/王光祖 鄭州磨料磨具磨削研究所) 參考文獻(略)