精彩片段 執著一生——記清華大學材料科學與工程系苗赫濯教授

本刊記者 黃雪霜 王 芳

精彩片段 執著一生
——記清華大學材料科學與工程系苗赫濯教授

本刊記者 黃雪霜 王 芳

一根支桿可以撐起一片天空，一個平面可以托起一個夢想，一個片段可以連成一段精彩的人生。對于年近古稀，干了大半輩子新型陶瓷材料科學研究的苗赫濯教授來說，他人生中有太多值得回憶的瞬間，不管是快樂的、艱苦的，都是他奮斗一生的構成片段。

片段一： 長安街上灑金光

1974年國慶節之夜，首都長安街東頭燈光璀璨，從東單到北京站寬闊的馬路上，灑滿耀眼的金光，點亮了市民慶祝祖國誕辰的熱情，也給節日增添了幾分歡樂的氣氛。“沐浴”在中國第一街的璀璨光芒下，路人們說街道亮多了，司機們說行車快了，國家經委和輕工部的有關負責同志感慨地說：一年前，外國電光源代表團來我國參觀訪問時，說中國的街道照明昏暗，沒有高壓鈉燈。沒想到僅隔一年時間，我國已有了第一條用自制的高壓鈉燈裝備起來的街道，其路面平均照度相當于原用同等功率高壓汞燈的3.5倍，“真不愧是‘爭氣燈’啊！”

那么，是怎樣一種新光源讓國人如此揚眉吐氣呢？又是誰改變了我國街道照明昏暗費電的局面？正是清華大學苗赫濯教授團隊和他們的合作者！

透明陶瓷高壓鈉燈：開啟街道節能照明新篇章

迄今為止, 除光色很差而難以應用的低壓鈉燈外, 高壓鈉燈是光效最高的光源 (發光效率為130-150流明/瓦) ,而且透霧能力強, 淺金黃色，特別適于戶外大面積照明。60年代中期發達國家已開始采用高壓鈉燈作為街道照明，而我國直至70年代初仍無高壓鈉燈的生產和應用，全部采用高壓汞燈和白熾燈，照明效果差，耗電量大。鑒于這種情況，1970年時任清華大學新成立的“高溫結構陶瓷科研組”組長的苗赫濯教授，決定把“透明陶瓷與高壓鈉燈”這個項目作為清華開創“高溫結構陶瓷”新學科的頭一炮。

高壓鈉燈點燃時溫度高達1300℃，傳統的石英玻璃燈管很快就會被高溫鈉蒸汽所腐蝕。高純度的氧化鋁陶瓷則可以承受，但陶瓷一般是不透明的，要制備出總透光率達到95%的透明氧化鋁陶瓷燈管，有很大的技術難度。科研組成立伊始，一切都是空白的，他們克服了種種困難，自制了從原料合成到最終燒結加工的設備和裝置，使研制工作得以順利進行。他們采用復合稀土氧化物取代國際上傳統的燒結添加劑，不僅完全排除了氣孔，還提高了透光性，降低了燒結溫度，獲得了性能優良的透明陶瓷燈管，為研制高壓鈉燈創造了條件。輕工部馬上安排北京燈泡廠和清華大學合作研制高壓鈉燈。但是要制成高壓鈉燈，還必須解決陶瓷燈管和電極的封接技術，這對于材料科學研究人員來說，是比較陌生的。為了盡快完成國家經委和輕工部的研制任務，科研組一方面建設透明陶瓷燈管的中試生產，同時又和燈泡廠技術人員一起研究封接技術，進行跨學科攻關，從而很快研制成功了高壓鈉燈。

透明陶瓷燈管與高壓鈉燈

接著苗教授向輕工部提出，高壓鈉燈只有在大街上通過考驗并取得效益才能算真正成功。于是北京市和輕工部決定在東長安街試用，并組織清華大學、北京燈泡廠、北京燈具廠、路燈隊、建材院、建研院等單位，從燈管和高壓鈉燈的生產、新燈罩制作，新燈桿架設和照度檢測等，進行一條龍大會戰。正是靠立足創新和團結協作，才有了1974年國慶節長安街上的壯麗景色，高壓鈉燈的使用開始了我國街道照明采用第三代高效節能新光源的歷史！

由于東長安街高壓鈉燈示范性街道取得優良效果，國家經委和輕工部決定在全國推廣應用，并委托苗赫濯科研組將陶瓷燈管的生產技術轉讓給沈陽玻璃試驗廠、北京大華陶瓷廠等工廠進行生產，1975年產品開始投放市場。1980年時任美國陶瓷學會主席的W.H.Rhodes在《美國陶瓷學會通報》上詳細介紹苗赫濯團隊這項成果時說：清華大學完成了全過程的研究與開發，從原料合成直至最后做出高壓鈉燈，在轉讓到工廠生產以前，在學校的中試車間生產，并首先應用在北京的主要街道上。

然而這項科研并不是一帆風順的，20世紀70年代上半葉，“四人幫”在全國范圍內掀起“反右傾回潮”和“反擊右傾翻案風”，他們的代理人在清華也大搞“上掛下聯”，層層打壓，苗教授帶領他的團隊日以繼夜地為發展我國電光源事業辛勤工作，卻被批判為“唯生產力論”和“黑貓白貓，能抓耗子就是好貓”的流毒。盡管當時搞科研無名無利還要挨批，但為國爭光，無私奉獻的精神使他們堅持奮斗，白天挨了批判，晚上仍然繼續通宵達旦進行科研攻關。后來當“四人幫”看到長安街高壓鈉燈的優良效果后，便又想利用它為極左路線貼金，于是江青指派新聞紀錄電影制作廠到清華拍攝了一部50分鐘的《透明陶瓷與高壓鈉燈》的科教片，企圖把科研組排除極左路線干擾取得的成果說成是“反擊右傾翻案風”的產物。

1977~1978年，苗赫濯科研組因透明陶瓷高壓鈉燈的研究與實用化，榮獲《全國科學大會獎》、《北京市科學大會獎》以及《北京市科學技術先進集體》稱號。但苗教授意識到這僅僅是一個開端，比發達國家的技術和裝備還有相當的差距。他向輕工部提出要自主研制連續等靜壓成型機和1850℃臥式連續氫氣燒結爐，得到輕工部的支持。于是他的團隊又開赴沈陽，和接產廠合作研制相當復雜的生產設備和工藝，形成實用可靠的全套技術和生產線。

上世紀90年代以來，隨著城鄉發展的巨大需求，先后有十多家新上企業，都選用了這套成熟技術與設備，而不需要花高價去引進。這些企業的總產銷量達到幾千萬支，占全國的75~80%，占全球1/4以上，約有一半被做成電弧管或高壓鈉燈出口幾十個國家。現在我國城鄉道路、港口碼頭、鐵路公路、機場廣場等戶外大面積照明基本上都采用了高壓鈉燈，大大改善了城鄉照明水平，提高了交通安全和行車速度，每年為國家節省上百億度照明用電。我國已成為世界上少數幾個高壓鈉燈的生產與應用大國之一。

回顧40年高壓鈉燈的研制和產業化過程，苗教授歸納成一句話：“一竿子插到底”。他認為科研的目的是要為國民經濟做出實際貢獻，就不能停留在“樣品”和“展品”上，而要做出“產品”和“商品”，經過市場競爭的嚴酷考驗，才能真正算得上成功。因此他們堅持不懈努力，從透明陶瓷燈管，到封接技術，到高壓鈉燈研制；從材料研究，到工藝研究，到裝備研制，一竿子插到底，使得科研成果迅速變成生產力，為我國節能照明事業做出了重大貢獻，如今神州大地灑滿高壓鈉燈的金光。

片段二：“工具箱里的秘密武器”

苗赫濯，1936年生，廣東惠州市人，清華大學材料科學與工程系教授，博士生導師，國際陶瓷科學院院士。曾任中國機械工程學會材料分會副理事長兼工程陶瓷專業委員會主任委員，北京市人民政府專業顧問。主要成果有透明陶瓷與高壓鈉燈，氮化硅與復合氮化硅陶瓷刀具，復合碳氮化鈦金屬陶瓷刀具和防彈陶瓷等。榮獲國家發明二等獎，全國科學大會獎，以及北京市、教育部的多項科技獎勵。

1996年美國政府科學代表團參觀氮化硅陶瓷刀具中試生產

20世紀80年代初一個秋高氣爽的日子，首鋼機運公司的軋輥車間內，機器轟鳴，經驗豐富的韓師傅正開動著一臺大軋輥車床，加工著一根直徑0.8米長3米，洛氏硬度高達HRC60的球墨冷硬鑄鐵軋輥。過去用硬質合金刀具加工，每分鐘才7米的切削速度，而且因刀具磨損要多次換刀，加工一根要花20小時。今天他卻把切削速度提高到每分鐘40米，一個刀片不到3小時，就從頭到尾把一根軋輥加工完了。車間轟動了，工人們紛紛圍攏過來問個究竟，韓師傅笑著從工具箱里拿出了幾塊刀片，對大家說：“就是它創造了奇跡，它叫復合氮化硅陶瓷刀具”，大家恍然大悟，原來韓師傅工具箱里有了新的“秘密武器”。

發明這一“秘密武器”的正是幾年前在研發高壓鈉燈方面做出重大貢獻的清華大學苗赫濯教授和他的團隊。時隔數年，他們又為祖國獻上一個新的成果。

新一代陶瓷切削刀具：高硬難加工材料的克星

切削加工是工業生產中最基本、最廣泛和最重要的工藝之一，而傳統刀具由于切削速度低、壽命短，耗費大量工時、電力和貴重金屬。因此研發高切速、高耐磨性的新型刀具材料，對制造業的增產節能降耗具有重要的意義。

1975年，苗赫濯科研組接受了一項科研任務，用氮化硅陶瓷來制作轉子發動機旋轉活塞刮片。在研制過程中，他們發現氮化硅陶瓷不僅硬度、強度和斷裂韌性高，而且不像硬質合金含有耐熱性差的金屬相，熱膨脹系數又小，預期可以承受高速切削引起的高溫和熱應力。他們想也許氮化硅陶瓷會成為一種很好的金屬切削刀具。他們把它做成刀片，在學校機械廠對硬質合金刀具加工不動的淬硬鋼工件（硬度達HRC50以上）進行粗加工，切削速度達到每分鐘一百多米，切屑全是火紅的，氮化硅刀具很輕快地把它加工完！苗教授及同事們預感到，這種新刀具將會給機械加工技術帶來重大的革新。

他們一方面提高新刀具材料的性能，一方面到工廠去進行實際應用考驗，在國際上最先實現了用熱壓氮化硅陶瓷刀具對多種難加工材料（冷硬鑄鐵、淬硬鋼、粉末冶金燒結材料、玻璃鋼等）進行多種工藝（車、銑、螺紋、絲杠挑扣等）的加工和生產應用。1977~1979年，苗教授等人發表了這項成果，為開拓新一代陶瓷刀具作出重要貢獻。美國材料科學家R.N.Katz在著名的《科學》（Science，1980）雜志和在《世界陶瓷大會》上(1986年)，都對這項成果作了很高的評價。他說中華人民共和國苗赫濯等人關于熱壓氮化硅陶瓷刀具的應用研究顯示出非常有前途的結果，熱壓氮化硅刀具比傳統刀具壽命長幾倍，而且它也可以對淬硬鋼進行銑削加工。1980年時任美國陶瓷學會主席的W. H. Rhodes在《美國陶瓷學會通報》上也進行詳細介紹。

為了解決超硬材料的加工，70年代后期苗教授等人不斷創新，利用相圖和彌散復合的原理，進一步發明了復合氮化硅陶瓷刀具，比純氮化硅刀具的壽命又提高了6－10倍。它有非常好的耐磨性、紅硬性和抗沖擊性，石家莊水泵廠用它順利地對高硬碴漿泵葉輪(HRC60)進行斷續粗切削，改變了“陶瓷一撞就碎”的傳統印象，同時也實現了超硬鑄鐵碴漿泵(HRC63~65)不退火直接淬硬加工的工藝革新，免去5~6天退火時間和退火用電，加工用電也節省60~70%；廣州有色院耐磨所用它對高錳鋼和高鉻鉬鑄鐵礦山機器零件(HRC63)，進行車、銑、刨、鏜加工生產，效率提高5~10倍。

他們用新型陶瓷刀具所完成的一系列高難度切削項目，在國際上也是首創的，是刀具材料創新帶來切削技術的創新，因而榮獲國家發明二等獎(1988)，北京市科技一等獎(1980)和日內瓦國際發明展覽會鍍金獎(1988)。接著在90年代苗教授又提出“過渡金屬相燒結”的原理與方法，發明了高耐磨性復合碳氮化鈦金屬陶瓷刀具，并首先在寶鋼對淬硬鋼軋輥實現了“以車代磨”干切削的工藝革新，取消了冷卻液，降低成本，減少污染。

但是苗教授清醒地認識到：陶瓷刀具技術含量高，設備精密復雜，而我國工業基礎比較差，沒有專業設備的配合，所以遲遲不能形成氣候。相反，雖然國際上1982才開始有氮化硅刀具的生產，但幾年間就形成相當的規模。

為了使科研成果盡快變成生產力，90年代以來，苗教授帶領科研組先后研制成功雙爐體自動化氮化爐、2000℃雙爐體雙工位自動化熱壓爐以及用先進的熱等靜壓工藝生產復雜形狀的陶瓷刀具，建成具有自主知識產權的新型陶瓷刀具生產線，并獲三部委聯合頒發的“國家八五科技攻關重大科技成果獎”。1996年以美國總統科學顧問Gibbons博士為首的美國政府科學代表團在給總統的訪華報告中提到：清華大學苗赫濯教授領導的科研組，在氮化硅陶瓷刀具工藝技術研究方面付出了很大的努力，包括從原料氮化硅粉的制備一直到刀具成型和加工的全過程。

新一代陶瓷刀具被列為“國家高技術產業化示范工程”項目。苗科研組將該技術轉讓到若干企業進行生產，產量占國內陶瓷刀具80%以上，產品已在冶金、礦山機械、汽車、軸承等十幾個行業上千家企業應用，提高加工效率3-10倍，節省加工用電 50-70%；由于采用地殼中最豐富的元素Si，Al作為原料，大量節省W、Co等貴重金屬；每年給國家帶來數十億元的增產節能降耗效益。

新型陶瓷刀具和透明陶瓷高壓鈉燈兩項成果，1999年被選上作為建國50周年成就展——《光輝的歷程》的新材料成果在北京展出。

片段三： 死里逃生謝鎧甲

2003年，中國某出口公司收到一份電子郵件，對該公司所銷售的陶瓷防彈衣多次保護了駐伊拉克英國士兵的生命表示感謝，郵件中說：你們的陶瓷防彈衣拯救了英國士兵的生命，有一名士兵被擊中7 槍，都被陶瓷防彈衣擋住了。

原來具有軍需品出口權的中國某公司，曾經通過中間商向科威特、沙特、伊拉克、馬來西亞等多個國家銷售了國內制造的配有陶瓷胸插板的防彈衣，其中也有八千套賣給了英國，這才有了許多英國士兵死里逃生的故事。郵件中還提到有的防彈胸插板被擊中12槍，但都未能穿過。

這種高性能陶瓷防彈衣的制造者又是苗赫濯團隊！

陶瓷防彈衣：狹路相逢硬者勝

“矛”和“盾”一直是相互依存、相互競爭的對立面。在古代人們用鐵器作矛作箭，也用鐵作甲作盾；近代人們發明了子彈，于是就有了裝甲鋼板；到了現代，人們采用鎢合金作穿甲彈，來擊穿裝甲鋼板，就出現了用更硬的陶瓷來防彈；真所謂“魔高一尺，道高一丈”。

過去，人們常采用鋼板或高分子材料來作防彈衣，但由于槍械和槍彈技術的發展，以及當今暴力恐怖活動的猖獗，上述防彈衣已很難滿足要求。一些部門也希望苗教授科研組能夠研發新的陶瓷防彈材料。

苗教授認為陶瓷與鋼板的防彈機理不同，當穿甲彈擊入鋼板時，金屬靠塑性變形來吸收子彈的能量；而當穿甲彈擊中陶瓷時，陶瓷則利用其高硬度，與子彈共同破碎，來吸收子彈的動能，所以材料的硬度對防彈性十分重要。碳化硼陶瓷，又輕，硬度又高，是非常好的防彈材料，但價格昂貴，難以大量應用。氧化鋁陶瓷成本低，但硬度強度也低。因此他把目標放在提高95%Al2O3陶瓷的硬度與強度上。95%Al2O3陶瓷在國內已有幾十年的生產歷史，技術比較成熟，應用也十分廣泛，仍然采用廉價的原料和簡單的工藝，要大幅度提高其性能決非易事。

但苗教授和同事們決心迎難而上，深入研究陶瓷防彈機理，利用相圖研究優化組成，通過改善微觀結構來提高性能，經過兩三年時間反復試驗，終于研制成功了高性能、低成本的95%Al2O3防彈陶瓷。其抗彎強度和顯微硬度分別達到430MPa和14GPa，超過國際上公布的同類產品350MPa和12.5GPa的指標。接著他們把這種陶瓷做成防彈衣，經中國兵器工業防彈器材質量監督控制中心實彈檢測，防彈性能達到美國警方最高一級防彈衣標準。

他們將此項技術在北京紫光方大陶瓷公司投入生產，成為我國最早規模化生產和大批量出口的防彈陶瓷生產基地。有關公司將此種新的陶瓷防彈衣在公安特警部隊以及印尼、馬來西亞、斯里蘭卡、沙特、科威特、伊拉克、英國、韓國等十幾個國家推廣應用，迄今為止尚未有被擊穿而致死的實例。他們還與有關單位合作，把防彈陶瓷披掛在坦克和步兵戰車上，也取得優良的效果。高性能低成本防彈陶瓷的研制成功和大規模生產應用，正是苗教授團隊結合自己的專長，急社會所需的出色成果。

三個片段，一段執著的科技人生。如今，青絲變白發，苗教授依然奮戰在科研戰線上。“莫道桑榆晚，夕陽更輝煌”，未來，還有更多的精彩片段等著他去譜寫。