【CAA口述歷史】我國粉末冶金與先進陶瓷專家——葛昌純院士

導語

秉承尊重歷史、以史為鑒、弘揚傳承的理念，中國自動化學會于2015年特別打造“口述歷史”系列訪談欄目，走訪學會和自動化學科發(fā)展息息相關的老一輩科學家，探尋心靈深處的記憶，記錄心路歷程的點滴，為當代自動化領域科技工作者了解歷史、傳承老一輩科學家的寶貴科學思想和精神財富提供有益借鑒。

本期學會采訪的是葛昌純院士。葛昌純，中國科學院院士，北京科技大學材料科學與工程學院教授、粉末冶金與先進陶瓷研究所所長。他是著名的核材料、粉末冶金和先進陶瓷專家，是制造原子彈、氫彈關鍵材料-濃縮鈾-235復合分離膜制備技術的專題負責人，為我國“兩彈一星”事業(yè)作出了重要貢獻。

**一、**上下求索，養(yǎng)勤奮赤子心

葛昌純原籍浙江平湖。1934年3月6日出生于上海。當時的葛氏是平湖的望族之首，葛昌純的父親葛嗣浵棄官南歸，繼承祖輩遺志，興文辦學，將其父在世時所創(chuàng)建收藏書畫的“傳樸堂”苦心經營，使原來藏書的10萬余卷增至40萬余卷，其中宋版善本與海內孤本達4000余種，尤以地方志為多，蔚為壯觀。因藏書甚富，于1899年在宅第旁側新建藏書樓一座，名為“守先閣”，與寧波的天一閣、南潯的嘉業(yè)堂并稱為“江南三大藏書樓”。1902年，葛嗣浵在葛家老宅創(chuàng)辦稚川學堂，開平湖現(xiàn)代教育之先河，培養(yǎng)了眾多名家，影響深遠。

本應在平湖長大、接受教育的葛昌純，卻因日寇侵華而徹底改變了命運。葛宅、稚川學堂和藏書樓毀于一旦，葛嗣浵因氣憤而病故。1937年，年僅三歲的葛昌純跟著母親和哥哥逃難到上海，和他的姐姐離別7年后才在上海重逢。因生活極度艱難，不得不在上海輾轉了四所學校，才完成了小學學業(yè)。生活雖然艱難，學習的過程雖然波折，但卻更加堅定了葛昌純從父親身上學到的“教育興國”的文化信仰。憑著堅韌的意志、出色的表現(xiàn)，葛昌純陸續(xù)考入名校南洋模范中學和省立上海中學，為今后的科研工作打下了堅實的國語、英語、數(shù)理化基礎。

為盡早工作貼補家用，葛昌純在高二結束后參加了高考，并一舉成功考取了唐山交通大學（即今西南交通大學）化學工程系。在著名冶金學家鄒元曦（畢業(yè)于稚川學堂，平湖第一位中國科學院院士）的鼓勵下，懷揣著對母親和兄姐辛苦養(yǎng)育的感念，對國難頻仍的痛心，以及對這個百廢待興國家未來的憧憬，葛昌純踏上了北上求學之路。1949年，年僅15歲的他，成為新中國培養(yǎng)的第一批大學生，也是全校年紀最小的學生。

在與冶金系學長許晉堃的交往中，葛昌純對冶金發(fā)生了濃厚的興趣，并于一年后轉入冶金工程系學習。憑著勤奮的態(tài)度和熱愛的心靈，他分秒必爭，如饑似渴，取得了非常優(yōu)異的成績。因第一個五年計劃需要，國家規(guī)定全國高校原定1953年7月畢業(yè)的學生一律提前一年畢業(yè)。葛昌純以三年時間完成了四年的課程。畢業(yè)后由國家統(tǒng)一分配到重工業(yè)部綜合工業(yè)試驗所（今鋼鐵研究總院的前身）冶金室工作。自此，葛昌純抱著“科技報國，實干興邦”的堅定信念，開啟了與材料結緣的一生。

從童年到青年，葛昌純經歷了日寇侵華、抗戰(zhàn)勝利和新中國成立，國仇家恨、時代的變革與他個人命運緊密相連，“改變國家命運”的理想根植于他的骨肉里，構建了他一生勤奮、頑強和堅韌的生命骨骼。

**二、**臨危受命，打破大國核壟斷

鈾-235是核工業(yè)必不可缺的核燃料。制造原子彈、氫彈需要90%以上濃度的鈾-235。氣體擴散法是上世紀六十年代當時唯一工業(yè)化的濃縮鈾-235的方法。而分離膜是的氣體擴散法濃縮鈾-235的核心元件。分離膜制造難度極大，當時只有蘇聯(lián)、美國、英國掌握其制造技術，為國際絕密技術。1959年末，蘇聯(lián)赫魯曉夫撕毀中蘇協(xié)議，撤退全部蘇聯(lián)專家，帶走幾乎全部資料。1960年6月中央通過冶金部分別向中科院上海冶金研究所等單位和冶金部鋼鐵研究總院粉末冶金室（即四室）等單位下達研制用于氣體擴散機級聯(lián)粗料端的管狀單層甲種分離膜和用于氣體擴散機級聯(lián)精料端的片狀復合乙種分離膜的任務書。年僅26歲的葛昌純臨危受命，作為四室五人核心組的成員，被任命為濃縮鈾-235的核心元件-復合分離膜的專題負責人。帶領一支平均年齡不到25歲的青年隊伍，日夜戰(zhàn)斗在科研攻關的第一線。

沒有資料，沒有設備，從何處開始研究？他一邊調查閱讀文獻，一邊帶領專題組同志們做實驗。為了尋找有關分離膜的文獻，葛昌純幾乎跑遍了北京的圖書館、情報所和大書店。為了看懂發(fā)達國家的論文和發(fā)明專利，他自學日文、德文、法文，經常一手拿著字典，一邊看著資料，一邊記筆記。白天在實驗室做實驗，晚上在家里看文獻。通過無數(shù)次的實驗和計算、推導，經歷實踐、失敗、總結、再實踐、再失敗、再總結…直到成功。葛昌純在國際上首次提出和系統(tǒng)建立了反映分離膜結構參數(shù)與性能參數(shù)關系的數(shù)學模型和反映復合分離膜性能參數(shù)與結構參數(shù)和各層性能參數(shù)與結構參數(shù)關系的數(shù)學模型，為研制成功乙種、丁種、戊種和己種復合分離膜奠定了堅實的理論基礎。他首次提出和實現(xiàn)了由20道粉末冶金新技術工序組合而成的制造復合分離膜的技術路線，奠定了我國制造復合分離膜堅實的技術基礎。1964年6月，鋼鐵研究總院粉末冶金室率先研制成我國第一種分離膜—乙種分離膜，滿足了我國制造原子彈、氫彈、核潛艇和核反應堆的急需。1965年，葛昌純被任命為乙種分離膜生產總指揮，帶領600多人的科研生產團隊，在兩年時間內完成了乙種分離膜的全部生產任務，為我國“兩彈一艇”事業(yè)做出了開創(chuàng)性、歷史性的貢獻。1966年國慶節(jié)，應國務院邀請葛昌純作為對社會主義建設作出重要貢獻的科技工作者，登上了天安門城樓觀禮，見到了毛主席、周總理等黨和國家領導人。在觀禮前，張愛萍上將為在分離膜事業(yè)上作出重要貢獻的葛昌純和王承書攝下了珍貴的照片。

1966年10月1日國慶節(jié)葛昌純和王承書在天安門城樓上觀禮【張愛萍上將拍攝】

國務院國防工業(yè)辦公室和中共中央國防工業(yè)政治部先后于1963年和1967年發(fā)來賀信指出：“實驗證明乙種分離膜性能良好，能夠滿足生產使用需要。這就為我國自力更生地發(fā)展原子能事業(yè)作出了重要貢獻?！薄斑@一任務的完成是你們所取得的巨大成果，是對我國國防工業(yè)建設作出的重要貢獻?！?/p>

1978年葛昌純作為第一完成人負責完成的“戊種分離膜的制造技術”獲得冶金部科技成果二等獎，出席“全國冶金工業(yè)學大慶會議”，受到黨和國家領導人的接見。1985年葛昌純作為第一發(fā)明人的“乙種分離膜的制造技術”獲國家發(fā)明獎一等獎；1988年葛昌純被國家人事部評為“有突出貢獻的中青年專家”；1990年國家教委和國家科委授予他“全國高校先進科技工作者”稱號；2020年中國核工業(yè)集團有限公司授予葛昌純院士“核工業(yè)功勛獎章”和“核工業(yè)功勛人物”榮譽證書，榮登“核工業(yè)功勛人物榜”。

這些經歷讓葛昌純深深地認識到，核心技術是買不來的，必須靠自主創(chuàng)新?？蒲腥藛T要堅持艱苦奮斗、自力更生，要敢于挑戰(zhàn)科學難題，以科技創(chuàng)新服務于國家戰(zhàn)略需求，為全面建成社會主義現(xiàn)代化強國提供有力支撐。

**三、**在粉末冶金領域開拓創(chuàng)新

1.開展了液相燒結機制的基礎研究

在液相燒結（Liquid Phase Sintering, LPS）基礎研究方面，W.D. Kingery的經典液相燒結理論并沒有考慮真實壓塊中液相在固體顆粒間的分布是不均勻的這一事實。研究液相的流動和分布以及隔離孔被液相的充填過程是研究LPS機制的一個重要命題。葛昌純通過系統(tǒng)研究Fe-Cu合金真實壓塊中燒結條件、銅含量、鐵粉顆粒大小和成型壓力對LPS時孔封閉過程的影響，首次提出除顆粒重排、溶解析出外，液相流動、重新分布和充填孔隙是LPS致密化的重要機制之一?！癋e-Cu合金液相燒結的研究” 第一次發(fā)表在Proc.1984 Int.Powder Metallurgy Conf.(modern Development in Powder Metallurgy Vol.14)。1997年，A．Martensen的試驗結果印證了葛昌純的理論分析。

高比重合金由于其高密度、高模量、優(yōu)良的力學熱學和吸收輻射能力，在穿甲彈、陀螺儀和防輻射等方面有重要的軍事用途。雖然早在1938 Smithells等已報道了對此類合金的研究。但值得注意的是，不僅在燒結機制上長期以來存在著爭論，甚至在燒結諸因素對合金力學性能的影響上也存在著截然相反的實驗結果，這是材料學家的一個研究熱點。葛昌純系統(tǒng)研究了重合金90W-7Ni-3Fe液相燒結機制和熱致密化諸工藝因素對顯微結構、斷裂模式及力學性能的關系，首次在重合金上采用無包套亞固相線熱等靜壓工藝，提出了重合金冷卻速率敏感性的機制以及真空處理、熱等靜壓顯著提高重合金力學性能的機制是氫由相界的去除和相界結合力的提高。他關于重合金液相燒結研究的論文中提出的主要結論在1984—1992年間曾九次被國際權威雜志（Metals Trans., J.Mat.Sci.， Z.Metalkunde等）和國際著名粉末冶金專家R.M.German, H.Danninger等所引用、肯定或跟蹤。

2.創(chuàng)建起我國第一個納米材料實驗室，研制成功一系列納米材料

為了研制復合分離膜，建立起了我國最早的納米材料實驗室。當時所建立起來的一系列制取納米級超微粉末、材料的工藝和測定納米量級孔徑分布的多種方法至今仍有重要的科學價值。

1962-1965年，葛昌純?yōu)榱搜兄埔曳N分離膜的需要，提出和實現(xiàn)了一種適用于在空氣中自燃的納米磁性金屬粉末的高壓靜電上粉工藝，解決了納米金屬粉末團聚及在高壓靜電場中的自燃問題，在國際上首次將此項新技術應用于納米金屬與合金薄膜的批量生產。

上世紀七十年代初，為了研制丁種分離膜，葛昌純提出和實現(xiàn)了用乙烯丙酮銅在流態(tài)化床中包復鎳粉形成核殼結構的納米鎳銅合金粉末的新技術。在857廠實現(xiàn)了產業(yè)化。

3.上世紀70年代葛昌純領導完成了提高我國還原鐵粉質量和全面改造鐵粉生產技術的系統(tǒng)研究，為在武鋼建立起我國第一個現(xiàn)代化鐵粉生產基地奠定了基礎

我國鋼鐵粉末冶金落后的一個重要標志是鐵粉生產技術落后和鐵粉質量低。為改變我國還原鐵粉生產技術落后面貌，葛昌純在上世紀70年代組織鋼鐵研究總院、天津粉末冶金廠和北京首鋼設計院三結合團隊，對天津粉末冶金廠的鐵粉生產工藝進行全面技術改造。葛昌純和王澤田、吳思儉、艾明顯、王立、刁麗雙、高一平等深入天津粉末冶金廠第一線，從改進大隧道窯的加熱保溫冷卻制度著手，對全部生產工序逐個進行技術改造。他提出取消一次性的瓦罐，首次在國內實現(xiàn)了隧道窯裝卸SiC罐半連續(xù)化生產，建起了國內第一臺用分解氨作保護氣氛的帶式二次還原爐，使我國的還原鐵粉質量達到國際先進水平。

他向冶金工業(yè)部提出在武鋼等大鋼鐵聯(lián)合企業(yè)建立十個現(xiàn)代化還原鐵粉生產基地，該建議得到國家計劃委員會和冶金工業(yè)部的支持。他積極支持武鋼鐵粉廠廠長李森蓉為在武鋼建立我國第一個現(xiàn)代化鐵粉基地而努力。在葛昌純等的鐵粉生產技術研究成果和他組織起來的設計隊伍的基礎上，武鋼很快建立起我國第一個現(xiàn)代化還原鐵粉生產基地，其鐵粉質量和品種均達到國際先進水平。

葛昌純將自己在還原鐵粉和霧化鋼鐵粉末領域所取得的成就總結在他和韓鳳麟合著的《鋼鐵粉末生產》一書中。國際著名粉末冶金專家H. Fischmeister在評價此書時指出：“該書取材新穎，在國際同類書中還沒有可與之相比的”。

4.開拓預合金化粉末熱致密化技術，研究開發(fā)成功一系列高性能粉末高合金鋼和鎳基粉末高溫合金

高性能粉冶合金鋼對于我國粉末冶金事業(yè)具有戰(zhàn)略意義。葛昌純在上世紀七十年代初起開展了用包套粉末熱擠壓技術制備粉末高速鋼A32的研究。實驗表明，雖然合金元素高達32%，但熱塑性非常好。作為專題負責人，和王洪海、曹勇家等率先在國內開展了粉末高速鋼T15的研究，在國內首先研制成功全密度、無偏析、使用壽命為熔煉高速鋼M42的3-7倍的粉冶超硬高速鋼T15。他和湯新章、孫向東以18W4Cr1V高速鋼廢削作原料、用粉末鍛造技術制備成功插齒刀，在東北某廠實現(xiàn)產業(yè)化。葛昌純提出和組織與北京特殊鋼廠王品一課題組合作，在北京特殊鋼廠建立起了我國第一臺用預應力鋼絲纏繞的熱等靜壓機。此項成果獲1978年全國科學大會獎。1986年葛昌純到北京鋼鐵學院工作后又提出并實現(xiàn)了與鋼研總院、川西機器廠合作，建立起了我國第一臺雙2000(2000℃，2000大氣壓)熱等靜壓機。對于提高我國的熱等靜壓技術，開發(fā)高性能材料和制品具有戰(zhàn)略意義。葛昌純和夏元洛一起，指導研究生曾舟山和宋箭平分別開展了用水霧化粉末制備粉末高速鋼FM2和粉末不銹鋼F316L的研究，研制成功性能可與同牌號熔煉高速鋼和不銹鋼相比、而工藝流程顯著減少和設備、基建投資可大量節(jié)約的水霧化粉末高速鋼和不銹鋼。隨后又開發(fā)了以節(jié)約戰(zhàn)略金屬鎢、鉬為目的的高釩磨具鋼FV9，用作粉末冶金模具，壽命成倍提高，并顯著減少了磨削對產品原料粉末的污染。在此基礎上，葛昌純和沈衛(wèi)平、張濟山等合作完成了國家863項目：“精密噴射成形制備粉末高速鋼和粉末模具鋼的研究”。他還和清華大學顏永年教授合作指導博士生郭彪完成了粉末鍛造汽車連桿的研究。

針對我國航空發(fā)動機用粉末冶金渦輪盤研究中存在的問題，2006年，葛昌純首次提出并研究利用火花等離子體放電球化技術制備高溫合金粉末。他指導研究生制備出球形度好、表面光潔、平均粒度細、粒度分布范圍窄、無陶瓷夾雜物的高溫合金粉末。葛昌純首次提出用電極感應熔化氣體霧化制粉技術（Electrode Induction Melting Gas Atomization, EIGA) 制備超潔凈高溫合金粉末，與夏敏合作完成了國防科工局民口配套項目“超潔凈高性能粉末高溫合金研制”（2015年1月-2020年12月），通過了專家組的驗收。現(xiàn)正在進行產業(yè)化。

葛昌純對航空發(fā)動機用高溫合金渦輪盤的短流程、低成本制造技術開展了自主創(chuàng)新的研究。噴射成形技術是近年來獲得高速發(fā)展的快速凝固技術，它充分利用已精煉的液態(tài)金屬，經氬氣霧化，使半凝固的顆粒在底襯上沉積?？焖倌虒е陆饘俚慕M織細化并消除了宏觀偏析，從而大幅度提高了金屬和合金的性能。與傳統(tǒng)的粉末冶金相比較，噴射成形簡化了工序，使生產成本比粉末冶金法降低了40 %以上。美國GE公司最早提出和開發(fā)了用電渣重熔+噴射成形工藝制取超潔凈高溫合金渦輪盤的技術，并建立了容量為1.36噸的中試裝備，但用于制渦輪盤至今沒有成功。2012年葛昌純同德國Bremen大學H.Fritsching教授合作進行了噴射成形第一代粉末高溫合金FGH4095盤錠，獲得直徑為184-200毫米、高度超過300毫米、單重75kg、相對密度達99%的盤錠，其收得率超過70%，并首次以噴射成形-熱等靜壓-等溫鍛造-熱處理工藝制得主要力學性能、顯微結構和超聲波探傷基本達到FGH4095指標。2013年又進行了噴射成形第一代粉末高溫合金FGH4095M和第三代粉末高溫合金FGH100L的研究。前者即使采用噴射成形-直接熱等靜壓-熱處理短流程制備，其主要力學性能也優(yōu)于2012年制備的、以噴射成形-熱等靜壓-等溫鍛造-熱處理長流程制備的FGH4095的力學性能；而以噴射成形-熱等靜壓-等溫鍛造-熱處理長流程制備的FGH4095M，其蠕變性能大幅度高于2012年制備的FGH4095的蠕變性能。而以噴射成形制得的FGH100L，其蠕變性能顯著高于美國以氬氣霧化制粉-熱等靜壓-擠壓-等溫鍛造-熱處理長流程制得的、成分基本相同的LSHR。

葛昌純在Bremen大學和H.Fritsching教授等在j320mm軋輥輥芯上噴射成形厚度達40mm的高釩鋼FV9涂層，獲得j400mm的F V9軋輥。這就為變廢為寶、回收利用、修復和改造廢軋輥開辟了一條節(jié)能節(jié)材的新途徑。

我國長期以來采用電解法提鎳耗能高，采用羰基法提鎳可大幅度降低能耗。葛昌純和滕榮厚、徐教仁、劉思林等和金川、有色金屬設計院合作下，負責用羰基法從鎳冰銅提取鎳和低壓合成羰基鎳的研究，在實驗室獲得成功，此項技術較之電解法可節(jié)電94%。

**四、**在先進陶瓷領域開拓創(chuàng)新

1.Sialon和Si3N4陶瓷的研究

20世紀70年代末，早在鋼鐵研究院工作期間，葛昌純就開始了氮化硅（Si3N4）基陶瓷的研究，是我國最早開展氮化硅和Sialon研究的學者之一。他首次在國內第一臺壓力燒結爐中燒結成功以尖晶石作為燒結助劑的抗熱震性優(yōu)良（在1100℃，水淬15次不裂）的β-Sialon陶瓷，這種陶瓷被批量用于作熱加工模擬實驗機的墊塊，取代進口的日本Si3N4墊塊，用于控軋模擬試驗機，填補了國內空白。此項成果作為國家“六五”攻關項目“控軋控冷實驗室建設”研究成果的一部分，被評為冶金工業(yè)部二等科技進步獎。

Si3N4具有優(yōu)良的綜合性能，被認為是最具發(fā)展前途的高溫結構陶瓷，特別是應用于燃氣渦輪、絕熱式發(fā)動機及其他高溫、高應力部件。目前國內外Si3N4陶瓷的主要燒結助劑為氧化鋁、氧化釔等氧化物，其在燒結時與Si3N4粉末表面的SiO2氧化膜反應生成軟化點低的玻璃相，導致材料的高溫性能和抗氧化性能惡化。美國Greskovich用非氧化物助燒劑BeSiN2， 由于玻璃相減少而使Si3N4具有優(yōu)良的高溫性能，但BeSiN2的毒性是它的致命缺點。

1982-1983作為洪堡基金會研究員,葛昌純應Hans Hausner教授邀請在Berlin工大無機非金屬也就是材料研究所從事氮化硅基陶瓷研究期間，在國際上首次提出采用無毒性復合氮化物助（ZrN+AlN)取代氧化物助燒劑，減少了Si3N4陶瓷中玻璃相比例并提高其黏度，提高了材料的高溫強度和抗氧化性能。

1986年葛昌純和夏元洛指導他的研究生陳利民、劉文姍從事無毒性復合氮化物助燒劑ZrN+AlN的研究，使無毒性復合氮化物助燒劑Si3N4陶瓷的高溫抗彎強度σ1300℃=750 MPa，σ1300℃/σ室溫=94.5%，氧化速率常數(shù)K1300℃=4.00×10-12kg2mm4sec-1，顯著高于以Y2O3+La2O3為助燒劑Si3N4的相應性能（σ1300℃/σ室溫=75.8%，K1300℃=4.04×10-12kg2mm4sec-1）。通過對此類含復合氮化物燒結助劑的Si3N4致密化機制和相變過程的研究，葛昌純提出：由于Si3N4表面有SiO2薄膜存在，根據Si3N4-SiO2-AlN-Al2O3-ZrN-ZrO2行為圖（behavior diagram)，固相線溫度降低，液相成分范圍變寬的原理，燒結是以α-Si3N4溶解于氮氧化物液相并以β-Si3N4形式重新析出的機制使相變快速完成并直接促進致密化。通過對其致密化動力學的研究，確定了此類陶瓷在溶解—擴散—析出過程中，擴散為速率控制過程，燒結時液相體積小和黏度高，因而材料具有優(yōu)良的高溫性能。在這類Si3N4陶瓷中，葛昌純首次發(fā)現(xiàn)在一定條件下有ZrO相產生，并研究清楚了其生成機制。研究了在1050-1250℃氧化時災難性破壞產生的機制，確定了ZrO的存在促進了災難性破壞，但不是其發(fā)生的必要條件，找到了避免災難性破壞的途徑。

國際Si3N4陶瓷主要開拓者、英國D. P. Thompson博士在審閱了葛昌純的關于Si3N4-ZrN-AIN陶瓷的論文后決定通過英國皇家協(xié)會邀請葛昌純去New Castle大學訪問并商討合作研究問題。他在1992年3月26日的邀請信中談到他對此項工作的評價：“我已非常感興趣去跟蹤你以AlN和ZrN作為Si3N4和Sialon陶瓷的添加劑，其結果對發(fā)展一族新的高溫陶瓷將是非常有前途的”。一向以直言不諱嚴格要求著稱的國際陶瓷界先驅、Sialon陶瓷發(fā)明人Jack教授在1994年6月訪問葛昌純的實驗室后，對他在Si3N4陶瓷方面的研究寫的書面評價中指出：“葛教授已做了極好的研究工作……每個項目都做得很成功。” 在以上工作的基礎上，葛昌純又研究開發(fā)了非氧化物-氧化物復合燒結助劑，使Si3N4陶瓷的性能得到進一步提高。在此期間他和夏元洛還指導研究生曾克里開展和完成了無壓燒結Syalon,即以Si3N4-AlN-Al2O3-Y2O3系和Si3N4-AlN-Y2O3系的Sialon陶瓷的致密化研究及其在拉絲模上的應用；指導黃向東完成了以氨解法制備Si3N4、TiN和TiCN粉末；指導謝建剛完成了氨解法制備氮化硅粉末的研究。指導柳光祖完成了相變增韌ZrO2的研究。

2.發(fā)明新型復合ST-Si3N4基陶瓷刀片

葛昌純在以上研究氮化硅基陶瓷的基礎上，研究開發(fā)出適用于粗、精加工各種高硬材料且通用性強的新型復合ST-Si3N4基陶瓷刀片。為了解決氮化硅基陶瓷刀片硬度高難加工的問題，葛昌純提出ST-Si3N4陶瓷刀片的電加工線切割方法，顯著提高了ST-Si3N4陶瓷刀片的機加工效率。

葛昌純、夏元洛和陳利民為了建立ST-Si3N4基陶瓷刀片中試線，在金物樓后小院蓋了兩間平房，到北京市的有關企業(yè)尋找可以修復利用的廢舊設備，自制了大熱壓燒結爐，修復了企業(yè)已報廢的平面磨床、周邊磨和倒凌磨等設備用于ST-Si3N4陶瓷刀片的機加工，之后在校內劍成年產30，000片ST-Si3N4陶瓷刀片的生產線。他們自行設計和制造的大熱壓燒結爐，一爐可以制備5片直徑100mm的ST-Si3N4陶瓷熱壓坯，顯著提高了生產效率，降低了ST-Si3N4陶瓷刀片的生產成本。

為了推廣ST-Si3N4陶瓷刀片的應用，葛昌純背著刀片和沉重的鋼刀桿，不辭辛苦下廠試驗。那時國際上普遍認為，Si3N4陶瓷刀片是只能加工鑄鐵和高溫合金，但不能加工鋼材。葛昌純通過大量實驗，證明他發(fā)明的ST--Si3N4刀片不但能加工各種高硬鑄鐵，而且可以加工絕大部分合金鋼種的部件。開始時有的廠對ST- Si3N4的使用壽命提出質疑。為了排除各種爭議，他親自下廠給技術人員和工人講解，手把手地教導他們如何正確使用ST- Si3N4新型陶瓷刀片。事實證明，ST-Si3N4陶瓷刀片不僅可以加工鋼，而且與硬質合金刀片相比，切削效率提高3-30倍。如使用硬質合金刀片加工鑄造的高鉻鑄鐵水泵殼體時，要經過退火后加工—淬火、回火后加工-—磨削，工序多、耗電多、廢品多。使用ST- Si3N4刀片后省去了這三道工序，實現(xiàn)了以車代磨，大幅度提高了水泵殼體的成品率，經濟效益顯著。被國家科委等四部委評為1990年度國家級新產品、冶金部科技進步三等獎、教育部科技進步二等獎和第七屆北京市發(fā)明展金牌獎、第五屆全國發(fā)明展銀牌獎和1988年國際專利展銀獎等三項發(fā)明展獎。1990年，葛昌純在北京科技大學創(chuàng)辦起國內第一個“特種陶瓷粉末冶金研究室”，創(chuàng)建起北京市海淀區(qū)工商局批準的一級法人單位“北科大特種陶瓷粉末冶金研究開發(fā)中心”。開創(chuàng)了北京科技大學的先進陶瓷粉末冶金的研究和產學研事業(yè)。

3.開拓自蔓延高溫合成技術

自蔓延高溫合成(Self-propagating High- temperature Sythesis, SHS)也稱燃燒合成(Combustion Sythesis)，是20世紀70年代前蘇聯(lián)科學院院士A.Merzhanov等發(fā)明的制備先進陶瓷粉體和材料的顛覆性技術。葛昌純是我國率先開展以SHS技術合成粉體和材料這一前沿領域研究的學者之一。早在20世紀80年代，他就開展了SHS的相關技術的研究。20世紀90年代以來，他先后指導了博士生李江濤、汪朝霞、陳克新、曹文斌、曹永革、燕青芝、沈衛(wèi)平、王飛、白玲、夏敏，李縣輝等10余名博士生，開展了包括SHS合成 Si3N4、Mg3N2、AlN、SiC、TiB2、MoSi2等粉末、Si3N4納米晶須和SiN/SiC/TiCN等復相陶瓷的研究，對SHS合成機制、材料結構、SHS梯度功能材料的設計與制備等方面開展了系統(tǒng)而深入的研究。葛昌純指導博士生沈衛(wèi)平和王飛完成了國家863計劃項目“高品質Si3N4和TiCN超細粉體的低成本制備技術”（2001AA333080）SHS阿爾法相達95%以上的Si3N4粉末。他在自己設計的60升高壓釜中一次合成5公斤、X衍射相分析為純阿爾法相的Si3N4粉，超過了俄羅斯SHS一次3公斤95%阿爾法相的Si3N4粉。阿爾法相Si3N4粉純度高于德國Starck Si3N4粉，已供用戶使用。博士生白玲研究表明自蔓延高溫合成高阿爾法相Si3N4粉燒結活性高，可顯著降低燒結溫度。

2000年9月21日至24日，葛昌純主持了由北京科技大學和俄羅斯科學院結構宏觀動力學及材料科學研究所（ISMAN）共同在北京召開的第一屆中俄雙邊自蔓延高溫合成學術會議，會議的主題是“面向新千年的SHS技術”。參加會議的代表34人，分別來自中國、俄羅斯、白俄羅斯和亞美尼亞四國，共提交論文34篇，反映了各自國家SHS研究的最高水平。這次會議很好促進了中國和俄羅斯等獨聯(lián)體國家在SHS領域的合作。2012年10月23-25日，第二屆中俄雙邊自蔓延高溫合成學術會議在北京成功舉辦。

4.開拓高分子樹脂的低溫燃燒合成（Self-propagating Low-temperature Sythesis,SLS）技術

用淀粉來制造具有特殊功用的新材料，一直是近幾十年來學術界和工業(yè)界感興趣的課題，這一方面是由于淀粉資源豐富、價格低廉，另一方面是淀粉的可降解性，在全世界都重視環(huán)境治理的今天顯得尤為重要。如淀粉接枝丙烯酸單體可以制備具有高吸水能力的聚合物材料，稱為高吸水樹脂。這種吸水樹脂具有優(yōu)異的吸水性和保水性，在個人衛(wèi)生用品、藥物控釋系統(tǒng)和工農業(yè)方面都有廣泛的應用。

2004年葛昌純和他的博士生燕青芝在兩次國家自然科學基金的支持下，研究用SLS制備淀粉接枝丙烯酸吸水材料，經過200多次實驗，測試了近600個數(shù)據點，終于成功實現(xiàn)了SLS的淀粉接枝改性。測試結果表明，各項性能指標全面優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制備的材料。燕青芝、葛昌純于2005年、2007年先后在國際著名雜志Chemistry－ A European Journal （VIP, IF=4.95）、Advanced Functional Materials（IF=7.45）上發(fā)表題為“整體大孔聚合物的前端聚合合成（“Frontal polymerization synthesis of monolithic macroporous polymers”)和 “淀粉接枝水凝膠的前端聚合合成：溫度和試管尺寸對蔓延前端和水凝膠性能的作用”（“Frontal polymerization synthesis of starch grafted hydrogels: Effect of temperature and tube size on propagating front and properties of hydrogels”）。

該項研究成果得到國內外專家的一致好評。中國科學院院士、四川大學高分子研究所所長徐僖教授認為這項工作“為新材料的制備或改善材料性能提供了新的途徑”；兩院院士王淀佐教授認為本研究“對于發(fā)展材料制備技術和豐富材料科學的學術內容，都具有重要意義”；《歐洲化學》在評審該項成果時，評審專家的書面評審意見指出：“我通常建議稿件需要修改，但是這篇論文不需修改就可以發(fā)表！”燕青芝和葛昌純以此項研究成果申請獲得4項國家發(fā)明專利。

5.開拓溶膠凝膠低溫燃燒合成（Sol-Gel SLS）制備納米粉體技術

隨著結構陶瓷高韌性化的要求和陶瓷器件小型化、高容量的發(fā)展趨勢，以及工業(yè)上對具有特殊的電、光、磁等功能的細晶粒陶瓷的需求，對陶瓷粉體提出了越來越高的要求，制備純度高、粒度小、化學計量比準確的高品質陶瓷粉體已越來越迫切。納米粉體由于晶粒細小，具有小尺寸效應、體積效應、表面效應和宏觀量子隧道效應、特殊的化學和催化性能使得由納米顆粒形成的材料在燒結性能、力學性能以及催化活性和光、電、磁等使用性能方面顯示出傳統(tǒng)材料無可比擬的獨特優(yōu)勢和極大的潛在應用價值。納米材料的出現(xiàn)為克服陶瓷的脆性、提高斷裂韌性帶來了希望，使電子器件的超小型化制備成為可能。

葛昌純先后指導胡芳仁、燕青芝、宿新泰、劉中清等博士生開展了包括BaTio3、ZrO2、Al2O3、TiO2、YBa2Cu4O8等多種納米氧化物的Sol-Gel SLS納米粉體的研究。這些研究結果表明：Sol-Gel SLS兼具有濕化學法的組分均勻和氣相法的氣—固流動的特點，使該技術制備的陶瓷粉體兼具氣相法粉體和濕化學法粉體的優(yōu)點，即化學計量比準確可調、粉體超細，多在納米量級（最小的達到6nm），再加上具有設備和工藝過程簡單、操作和原料成本低廉、適用范圍廣泛、產物組成均勻等工藝優(yōu)勢，在氧化物超細粉體的制備方面具有很大潛力。用Sol-Gel SLS既可以制備出耐高溫、高強度的結構陶瓷，又可制備出具有電、磁、超導等性能的功能陶瓷，尤其在制備具有復雜組成的多組分氧化物材料如固體氧化物燃料電池材料、高溫超導材料、電子陶瓷材料等方面，顯示出獨特優(yōu)勢。另一個特點是通過優(yōu)化工藝和過程控制，可抑制團聚體的形成，提高粉體的分散性。Sol-Gel SLS確實是獲得低成本、高質量的納米陶瓷粉體的較為理想的技術。

葛昌純是繼SHS創(chuàng)始人A. G. Merzhanov院士之后，同時兼有研究領域廣、堅持時間長、創(chuàng)新性成果多的學者。2004年，葛昌純當選為世界陶瓷科學院院士。

**五、**開拓超臨界水堆等裂變反應堆燃料包殼管制備技術

在1964-1986年研制成功一系列濃縮鈾-235復合分離膜之后，葛昌純的目光從“兩彈一艇”轉向了核能的和平利用。隨著我國國民經濟的高速增長，我國對能源的需求日益增加，我國長期形成的以煤為主的能源結構的弊端也日益凸顯，成為經濟發(fā)展的制約因素。近年來，我國積極抓節(jié)能減排低碳經濟已經取得了顯著成效。核能以其清潔、安全、高效的特征在世界能源日益緊張的今天引起了各國的重視。核電在全球范圍內的發(fā)電比重已達到16％，成為全球電力供應的重要組成部分。從核電站堆型來看，水冷堆是核電站的主要堆型，占全球所有核電站總數(shù)的90％左右。核電技術已經發(fā)展到了第四代，在安全性等方面有了很大的提高，各國開始對六種第四代先進反應堆研究開發(fā)，其中超臨界水堆是唯一的水堆。

為了推進我國核電的發(fā)展進程，歐陽予院士和葛昌純院士聯(lián)名向科技部提出建議：建立一個以上海交大程旭教授為項目負責人的973項目“超臨界水堆的應用基礎研究”。研究和開發(fā)超臨界水堆有利于我國核電事業(yè)的發(fā)展。超臨界水為一種可與氧任意比例混合、高溶解性的非極性氣體，對材料的氧化性極強。雖然現(xiàn)有超臨界火電廠的傳熱管材已經積累了較成熟的經驗，但由于超臨界水堆燃料包殼管壁厚度要求更薄、受強中子輻照，同時需要考慮事故工況安全性要求，因此超臨界水堆對材料提出了更為苛刻的要求。超臨界水堆燃料包殼管和堆內構件應滿足如下需求：在工作溫度范圍內（550-650℃，事故工況甚至達到850℃）具有足夠高的強度和耐超臨界水腐蝕性能；低的應力腐蝕開裂（SCC）敏感性；較低的中子吸收截面；較高的中子輻照穩(wěn)定性；低輻照腫脹、低輻照脆性、低活化。超臨界水堆苛刻的運行工況使得原來用于壓水堆核電站的鋯合金包殼管由于在超臨界水堆的高運行參數(shù)下強度和耐蝕性不能滿足要求；另外，由于要提高傳熱系數(shù)，葛昌純成立了由周張健研究組、燕青芝研究組和胡本芙研究組組成的團隊，開展微合金化成分設計、模擬計算、超潔凈熔煉、引入氧化物彌散強化的粉末冶金技術、控冷控軋技術等的研究，提出、設計、研究和開發(fā)了CNS1、CNS2（Chinese Nuclear Steel）和ODS-CNS1、ODS-CNS2系列高溫耐蝕鋼；并與上海交通大學、中國原子能科學研究院、華北電力大學、蘇州熱工研究院有限公司合作，評估鋼的服役性能，為超臨界水堆包殼管提供了候選材料。

**六、**開拓核聚變堆關鍵材料的制備技術

受控核聚變堆發(fā)電是人們普遍認為的是從根本上解決人類能源危機的一種終極能源。要實現(xiàn)核聚變堆發(fā)電，材料問題是決定核聚變能能否開發(fā)成功的關鍵。在聚變堆關鍵材料中，非常重要的一類材料是面向等離子體材料(Plasma Facing Materials, PFM)，它是人類有史以來碰到的工作環(huán)境最嚴酷的材料之一。

早在中國加入國際熱核實驗反應堆前十年，1996年葛昌純就富有前瞻性地向國家有關部門提交了名為“耐高溫等離子體沖刷的功能梯度材料研究”的建議書，指出其主要用途是核聚變反應堆的第一壁材料。他申報的863項目“耐高溫等離子體沖刷功能梯度材料研究”得到科技部863計劃批準（715-011-0230，1997.7-2000.12）。經過3年半的努力，葛昌純帶領團隊成功制備出6種耐高溫等離子體沖刷的功能梯度材料，其中SiC/Cu、B4C/Cu等四種功能梯度材料在國際上屬首創(chuàng)。此項成果開拓了功能梯度材料在核聚變領域的應用前景，獲2008年中國材料研究學會二等科學技術獎。

2010年他提出國家973計劃-ITER計劃項目“聚變堆面向等離子體材料的基礎研究”，得到科技部批準(2010GB109000，2010-2013)。

通過4年的研究，葛昌純、燕青芝、周張建、張迎春等提出了適合未來高通量、長脈沖等離子體運行的鎢基面向等離子體材料（(Plasma Facing Materials,PFM）新的設計思路和制備方法，研制出耐高溫等離子體輻照的關鍵材料，實現(xiàn)了面向等離子體部件（(Plasma Facing Components,PFC）在結構設計、界面控制、連接技術、性能檢驗和評價上的重大突破，闡明了鎢-PFM與聚變等離子體的相互作用機制及其輻照損傷機理，為耐輻照鎢基PFM的設計研發(fā)以及鎢基PFC的制備提供指導,培養(yǎng)出一批從事核聚變關鍵材料與部件研究和應用的優(yōu)秀人才。這項成果極大推動了我國核聚變材料與部件的研究，掀起了國內對核聚變材料研究的熱潮。

**七、**矢志報國，做科研掌燈人

“奉獻”和“愛國”是葛老師不斷提及的兩個詞語。談到“科技創(chuàng)新”，葛老師講到：“科研的靈魂是創(chuàng)新。我國的材料水平與發(fā)達國家還有一定的差距，我們要始終瞄準國家需求，把科研成果寫在祖國的大地上，要敢于創(chuàng)新開展跨學科合作，產出更多國家需要的科研成果?！?/p>

人是科技創(chuàng)新最關鍵的因素。葛老師教書育人三十七年，已經培養(yǎng)了大量的專業(yè)過硬的材料學科骨干人才。面對青年人才的培養(yǎng)，葛老師認為更應該重視“德”的教育，只有“先要做好人，才能做好事”，這也為新一代材料人指引著前行的方向和奮斗目標。

中國自動化學會自1961年成立至今，已經走過60多年的歷程，在歷屆理事會的領導和推動下，中國自動化學會發(fā)生了翻天覆地的變化，無論從會員規(guī)模，還是業(yè)務活動，都得到了蓬勃發(fā)展。提及學會的發(fā)展，葛老給予了高度認可，并提到，自動化是人類文明進步和科學技術現(xiàn)代化的重要推動力，對我國建設科技強國具有強大的支撐作用，中國自動化學會近年來通過組織多樣化學術交流、開展學科研究等，有力地推動了整個自動化學科的發(fā)展。面對未來，葛昌純希望學會能夠繼續(xù)擔起社會重任，助力領域科研發(fā)展，為中國未來發(fā)展貢獻力量。

編后語

“材料報國，追求第一”是葛老師一生堅持的熱忱信念，從青年時代的臨危受命，到如今年近九旬的依然活躍，葛老一直從未停下研究的腳步?！皣摇笔歉鹄嫌肋h追隨的信仰，他燃燒自己的一生將家與國緊緊系在一起，讓我們感受到老一輩科學家的無窮力量。他們是時代的最美使者，是社會的精神坐標，步入新時代，同樣需要我們賡續(xù)這種寶貴的精神密碼，通往星辰大海，尚在征程之上。