科学研究 重在创新 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　党鸿辛 一、思维特色形成背景 　　 我父亲是个中医，在乡间颇有名气。从五岁起，我便跟随父亲从“子日诗云”中识字，读《三字经》、《唐诗三百首》……像“床前明月光，疑是地上霜，举头望明月，低头思故乡”这样的诗句我至今仍有印象。父母在“望子成龙”思想的支配下，在我六周岁时就把我送到小学读书，这在当时的乡村中是很少见的。不但如此，他们还看到十几里外的一个小学——“三江村小学”的老师如何好，便利用亲戚关系将我送到那所小学又多读一年多。到了高小，我的学习兴趣很快被数学吸引过去。什么“鸡兔同笼”和“隔墙分银”之类，在高小时我解起来就得心应手。到了初中，用代数方法来解这些问题，又简单又方便。同学们代数上有什么问题总是来找我，有争论时也来找我裁决。我记得高中毕业后我们班有个比我大的同村女同学，住得离我家约一里多路远，经常找我帮她解难题，村上的人还以为我们是在谈恋爱。另外，在求解过程中我总是力求运用几种算法，从中选用最简单的算法，从而锻炼了自己遇到问题从多方面思考的能力。我通过小学以及初中阶段培养的兴趣，大大提高了自学能力、逻辑推理能力和创新思维能力。后来的高中课程，我学起来困难就不大了。所以，养成思考问题的习惯，对自己一生都会起到良好的作用。 1949年，我春季高中毕业，秋季高考。为什么当时报考化学工程系呢?因为看到父亲整天忙忙碌碌，东奔西跑，却收入微薄。学化工能懂些技术，可以糊口，所以报考了广西大学化学工程系，谁知居然被录取了。当时我是全班考上大学的三个人中的一个，应该说是幸运的。十几年的付出终于有了回报。但命运似乎又同我开了一个玩笑：家中已经一贫如洗，甚至拿不出从家中到学校的路费! 　　 望着一纸入学通知书，想着多年的大学梦却要变成泡影，真快绝望了。幸好当时的广西大学校长盘斗寅先生得知此事后，对我的境遇非常同情，破格批准我休学一年。在这一年里，我做些小生意，到处奔波为自己挣学费，同时，也尝尽了数不清的人情冷暖。 　　 次年，我终于如愿以偿地进入大学学习。家里已经不能给我任何经济帮助。还好“天无绝人之路”，当时比我高一班的同学，已建起生产酒精的工厂，就是从乡下收购烧酒，回来再用塔板蒸馏，达到一定纯度后供给汽车用。由于当时汽油短缺，生意还算红火。我当时就在这个厂里打零工，勤工俭学，后来就靠助学金来勉强维持学业。两年后，由于院系调整，我所在的班被调入广州的华南工学院，以后我就在华南工学院学习。 　　到广州后约四个月，噩运又一次不期而至。我感到混身乏力，晚上出虚汗，一检查是肺结核。肺结核虽不是什么不治之症，但需要精心的治疗，需要充足的营养。对于经济困难，学业都勉强维持的我来说，真是宛如晴天霹雳。好容易得到上大学的机会，怎么舍得中途放弃呢?不能，绝不能！可是病魔无情，要认真对待。于是，我完全听医生的话，医生叫我吃什么药我就吃什么药，医生叫我休息我就坚决休息。我还从我姐那里得到10元钱的加餐费，用于早上吃猪肝粥。这一场病，耽误了我不少时间，但我的学习成绩一直保持在中等水平，直至毕业。　　 1953年9月，由于国家急需人才，我提前一年毕业，被分配到中国科学院工业化学研究所(即现在的中国科学院大连化学物理研究所)作了一名研实员，跟范煜先生做润滑油性能评价。范先生的爱国主义热忱、洁身自好的崇高品德、渊博的基础知识、勤奋苦思和严谨治学的优良学风，以及他为培育我国润滑人才和发展固体润滑科学事业而呕心沥血的敬业精神，给了我极其深刻的印象和深远的影响。 　　 1957年我参与了国家重点研究项目过热汽缸油的研制工作。当时由于中苏关系紧张，苏联不再为我国提供这种火车机车上使用的润滑剂，国家被迫下达了研制过热汽缸油的任务。由当时的润滑研究室主任于永忠先生来挂帅，付六乔、尹万章、范煜、裘宗涛等都参加了这个组，通过丙烷脱沥青的方法进行炼制，1959年通过行车试验，并推广到兰州炼油厂投入生产。从头到尾行车试验我都参加了。由我执笔撰写的研究报告在《燃料学报》上发表。这一项目使我学会了如何进行研究工作，为以后独立地进行科研工作奠定了基础。 　　1958年9月，大连化学物理所在兰州成立分所，催化、润滑和分析三个研究室整个迁往兰州。我是随着润滑研究室迁到兰州的。上面所提到的过热汽缸油的研制任务就是跨两个所的任务。从1960年开始，我一直在进行固体润滑的研究工作，至今已有40个春秋。从“金属表面处理对固体润滑剂的润滑作用的影响”开始，从未间断过在科学技术上的探索。从液氢液氧的超低温，到红热的1000℃的高温；从失重的空间润滑到极压润滑；从陆地到深海海洋，我不断学习新知识，探索新问题。 二、思维之光 1、敢于向权威质疑 　　1962年我参加了第二项国家任务的研究工作，这是一项军工任务，是要研究解决液氧发动机滑动轴承的润滑问题，由陈绍澧先生挂帅。陈先生留学于美国，1952年毅然回国参加祖国建设，可以说是这方面研究的权威，在当时已享誉国内。他注重实践，思维敏捷，常能在司空见惯的实际工作中发现要研究的问题，并把问题迅速深化，形成一套理论，从而使润滑科学不断发展。平时其研究记录之整洁，读书笔记之整齐，实验次序之有条不紊，培养干部之细致入微，使很多人都仰慕不已，认为能在他手下工作是幸运。这项工作一开始就安排得非常有条理，分两条技术路线，一条是有机干膜，陈先生亲自领导，重要力量配备较全，作为主攻路线；另一条是无机干膜，由范煜来领导，我是参加者。工作开展约半年之后，我与陈先生之间在使用何种固体润滑膜上发生了分歧，他坚持选用有机干膜，即环氧树脂粘结的干膜，因为一开始就打算提这种干膜进行台架试验，已经比较成熟，耐磨寿命已可以做得比较长。我认为军工任务首要的是安全性，因为我自己从苏联的一本有关氧压机选择润滑材料的书上看到：“在氧这样活性气氛下，不能使用任何有机材料，因为任何有机物都有引起爆炸的危险，包括原来是有机物经转化尚残存有有机物，如人造石墨，因为人造石墨在其微孔中不可避免地残存有乙炔等有机物，这就是引起爆炸的原因。”所以，必须使用无机干膜润滑剂，包括台架试验。我的不同意见，使他很生气，说我不尊重他，并把我告到学委会。在学委会上，我据理力争，却不能阻止其提供台架试验的有机干膜样品，直至台架试验发生爆炸而中止。经检查表明，并非由于我们的有机干膜，而是由于其他部件清洗后残留溶剂而引起爆炸。这也足以证明，有机干膜润滑剂确有引起爆炸的可能，从而确定了以无机干膜润滑剂为主攻路线。在研制过程中我还改变粘结剂的主要成分，将钠改为钾，使干膜的耐磨寿命大幅度提高，从而创造性地完成了任务。 1965年初，我作为题目负责人，又接受了第三项国家任务，是要研究解决在红发烟硝酸和偏二甲基肼下工作的高速滚动轴承的润滑课题。这个课题我只是通过文献调研确定为应用增强聚四氟乙烯保持器来解决，经我手只向使用部门提供短玻璃纤维增强聚四氟乙烯材料保持器，还准备提供玻璃纤织物增强聚四氟乙烯材料保持器。1967年，“文化大革命”已经开始，造反派已经开始夺权，研究项目被迫中断。“文革”开始后不久，我被派往甘肃张掖去接受再教育。由于生活条件差等原因，我患上了严重的肝炎，只得回兰州治病，病好以后，又被派往鞍山第二薄板厂接受工人的再教育。到了1975年，恢复了固体润滑研究室，由我当主任。从这以后，我坚持科研面向国家经济建设主战场的方向，在固体润滑学科建设和润滑材料应用研究方面取得了一些成绩，尤其是为解决我国国防军工高科技领域重点型号建设中的特殊润滑难题做出了应有的贡献。 2、科研工作重在创新 　　科研工作本来是一种创造性劳动，因此，在科研工作中应将创新放在首位，力求每项科研成果都体现出自己的创新思想。我针对科学发展的前沿领域和应用研究中所遇到的难点问题，开发了系统的研究工作，先后总结了一系列固体润滑的重要规律，如固体润滑转移膜的生成及其与耐磨性的关系；不同固体润滑剂组成之间的协同润滑效应；PTFE的结晶构造与抗摩性及机械强度的关系；过渡金属二硫属化合物的结构与润滑性的关系等等，这一系列研究结果奠定了固体润滑学科的基础，并对指导新型固体润滑材料的研制，解决工程技术中的润滑难题均起到了很重要的作用。有关这一方面的研究，我以《固体润滑的研究》为题于1982年获国家自然科学三等奖。 　　在固体润滑过程中，表面物理和化学作用对润滑效果有着决定性的影响。我及时把握住这一方向，对有关问题进行了深入的研究，发现典型固体润滑剂PTFE和二硫化钼在与金属的摩擦过程中，在金属表面上氟化物和硫化物的生成对转移膜的性质有重要影响；在二硫化钼转移膜中，二硫化钼层状晶体呈基础面平行于底材表面择优取向，与金属底材的粘附产生于层状晶体的基础面上；提出了聚四氟乙烯摩擦机理的物理模型；探讨了石墨等固体润滑剂与ZDDP等添加剂在摩擦表面上协同形成复合润滑膜的作用机理；稀土化合物作为润滑添加剂的改性作用机理；利用分子轨道理论探讨了石墨、二硫化钼润滑性能的结构本质等。上述研究结果对固体润滑材料的研制具有重要的指导作用，而且在国内外亦获得了很高的评价，国际摩擦学学会主席Jost，H．P．教授认为这是摩擦学研究二十五年来所取得的重大成就之一。有关这一方面的研究于1989年获得了中国科学院自然科学二等奖。 　　自1987年中国科学院正式批准成立固体润滑开放研究实验室起，我一直担任该实验室学术委员会主任。与实验室主任薛群基工程院士一起，把握摩擦学已从传统的力学、机械学的研究转向摩擦化学与物理的趋势，选定摩擦表面的化学与物理为研究方向，开展了材料表面状态、结构、组成与摩擦学性能关系以及环境介质的影响，纳米摩擦学等属国际前沿并符合国家需要的研究工作。近年来，该实验室一直围绕着这一主要研究方向，稳定研究内容，以强烈的成果意识组织所内外研究人员，团结协作，取得了一批学术水平高、应用价值大的科研成果，并在国内外重要刊物上发表了一系列高水平的学术论文，产生了较大的影响。该实验室在国家科委和中国科学院进行的多次评审中，均被评为优秀实验室之一。 3、从任务出发，多路探索、从中选优 　　在应用研究方面，我结合学科特点，注重解决国家经济建设中关键技术难题，尤其对国家重点任务，总是多路探索，从中选出最优的方案。例如“331工程超低温高速齿轮润滑材料的研究”任务。开始，任务提出单位并没有明确是在液氧或液氢中工作，因而我们首先从一水氧化铝干膜、硅酸钾干膜和聚苯硫醚干膜三路探索。经大约一年后，任务提出单位才明确该齿轮是在液氢下工作的，因而我们又从技术路线中调整为聚苯硫醚基干膜和聚酰亚胺基干膜，经研究对比最后优选出聚苯硫醚基干膜进行台架试验。因为所提出的齿轮工作条件极为苛刻，开始虽然在液氢中，如果没有有效的润滑，运行时齿轮会因高速高负荷下的摩擦而产生局部高温，使齿间发生粘着和破坏。在台架试验中，就曾经因润滑剂选用不当，而发生齿轮全部被剃光头的现象。通过台架试验，边试验边改进，最后比较有把握地研制成功了一种新型的固体润滑膜。多次成功发射的实践表明，该润滑膜性能稳定，技术可靠，解决了我国自行研制的氢氧火箭发动机的一个关键问题，该项目先后获得了1985年中科院科技进步一等奖和1988年国家发明三等奖。 　 109工程和直九工程是我国“七?五”期间的两项重点军工项目，受中国船舶工业总公司和中国航空工业总公司的委托，分别要求解决控制鱼雷进攻方向和运行姿态的舵机涡轮涡杆组件的润滑问题和六种直九飞机配套特种润滑材料的国产化问题，这几种材料都是型号建设中无法替代的重要材料，由于使用工况极其苛刻，对所研制材料提出了很高的技术要求。我作为项目负责人，组织指导并参加了部分具体的研究和实验工作，所研制材料的性能全部达到或超过了国外同类产品的水平，并在实际应用中获得了显著的社会经济效益。该项目获得了1992年中国科学院科技进步二等奖。 　　 我还参加了“长三甲低温氢气气动机SB复合叶片材料”的前期工作。在正式接受这个项目之前，我已经了解到国内已有三个兄弟单位参加这项任务，一个是提供金属基等离子喷涂复合材料；另一个是提供玻璃纤维织物增强材料；还有一个是碳纤维织物增强等静压材料。我提出的技术路线是碳布增强热压自润滑材料辅以干膜润滑，明知比前面所述三个兄弟单位的强，后来又得到陈建敏同志的补充支持，所以在所内又提出两条技术路线，一为钢丝增强碳布材料，另一为无机高温自润材料作为竞争对手，深知我之路线必胜无疑。在台架试验一试便确定我之路线为主攻路线，经半年后已经达到指标，就差重复性稍差。重复性差的克服方法及试验室检验方法已经拟订好，这时由于某种原因我中途退出了这项工作。过了两三年此项目才得以完成，获得1995年中科院科技进步一等奖和1998年国家科技进步三等奖。 　　 此外，我所负责的8号工程用二种固体润滑膜的研制，也是属于国防军工高技术领域重点型号的配套工作，于1995年获得了中科院科技进步三等奖。鉴于长期以来在国防建设中所做出的贡献，我于1988年获得了国防科工委颁发的献身国防科技事业荣誉证章。 4、重视民用研究，实现科技向生产力的转化 　　 长期以来，我想的最多的就是把科技成果转化为现实的生产力，转变为实际的产品。把科技转化为生产力，一是通过发表文章和编写教材，把最新的知识和思想传授给处在科研生产第一线的技术人员；二是亲自参与企业的技术开发，在开发中拿出切实可用的新技术、新产品。单就后者来说，我们与本溪润滑材料厂一起，在原有工作基础上研制成了一种齿轮润滑用GM型成膜膏。经三十多个厂矿的试用情况表明，这种成膜膏具有成膜时间短、粘附性强、润滑性好、所形成的固体润滑膜动态运转寿命长等优点，对延长齿轮使用寿命，节约油料和彻底解决好漏油等问题都取得了良好的效果。该项目以“齿轮润滑成膜膏的研制和推广”的名义，获1985年国家科技进步三等奖。 　　 数控机床是高级精密机械设备，其夹紧力大小与卡盘的润滑状态直接相关，若润滑剂选用不当，不仅达不到夹紧力指标，还会出现爬行、噪声、锈蚀和磨损等现象。MFC-1型白色润滑成膜膏是针对数控机床KP200型斜齿条式快换爪高速通孔动力卡盘研制的专用润滑剂。在采用MFC—l型白色润滑成膜膏之前，曾试用过国内能弄到的特种润滑脂，包括极压锂基脂、极压膨润土脂、以及7253合成油脂等，均因夹紧力达不到要求而被淘汰。采用MFC-I型白色润滑成膜膏不但可以大幅度提高夹紧力，而且试验表明这种成膜膏的防锈蚀性能和使用寿命均可满足数控机床的实用要求，为国内开发高档卡盘创造了条件。此项目于1993年获得了国家发明三等奖。 　　此外，在成膜膏方面还有“铁路轮轨、齿轮润滑成膜膏和轮缘喷膜器及其应用推广”，由于采用BL—l型轮轨润滑成膜膏的摩擦系数低，抗冲击、抗磨损和承载性能都好，与钢表面的结合强度高，有效润滑期长，所以采用BL-1型轮轨润滑成膜膏润滑时的钢轨磨损量仅为机械油润滑时的1／4，而润滑剂的花费仅为机械油润滑时的1／7，效果非常明显，故此项目于1994年获甘肃省科技进步二等奖。 ， 　　 四川建筑机械厂从法国波坦(POTAIN)公司引进的塔式起重机生产技术已正式投产。塔机不仅要经常拆卸搬迁，而且还要长期置于露天环境，经受风吹、日晒和雨淋，故其连接销轴必须具有良好的抗卡咬、防锈蚀、低摩擦和抗磨损性能，使塔机连接处不卡死，不锈蚀，以保证其正常运行且拆卸方便。波坦公司的原设计工艺是对塔机销轴表面进行硫碳氮共渗处理后再喷涂SDA9干膜，以达到润滑防锈之目的。为使这一工艺立足于国内，我们在1987年应四川建筑机械厂的要求，将PEP干膜润滑剂喷涂到塔机销轴上进行了润滑与防锈性能试验，并与进口销轴作了对比考查。试验结果表明，喷涂PEP干膜的国产销轴具有良好的耐磨性和防锈性。PEP干膜经法国波坦公司检验认为，其技术性能已经达到法国HEF所生产的产品SDA9干膜的水平。四川建筑机械厂已经应用，且取得了显著的社会经济效益。该“PEP润滑防锈涂层”于1992年获得了甘肃省科技进步二等奖。 三、院士展望 我国过去的固体润滑研究对于解决特殊工况下的润滑难题，以及对于合理使用能源，经济地利用原材料，提高机械的可靠性，减少维护工作和改进环境保护等都起到了重要的作用。但是过去的成果偏于经验式和应用，而研究工作又比较孤立，缺乏综合性考察，尤其是对润滑界面所发生的微观变化缺乏深入的理论分析和实验观察，因而影响了这门学科的发展。 　　固体润滑与机械(力学)、化学、物理及材料科学都有密切关系，可以推断摩擦化学反应在固体润滑转移膜和抗磨减摩的保护膜的生成过程中起到决定性的作用，通过形成这种新的相来保护内层的金属(或其他材料)，首先是预防粘着磨损，此外还防止表面疲劳和来自外部的化学侵蚀。而弹塑性变形、断裂、高温形成、发光、电子发射、表面电荷形成与晶格组分释放等一些基本物理过程与摩擦化学紧密关联，这些过程可以是摩擦化学反应的起因与伴随现象。机器的运动部件和相互作用的设备之间的机械影响是很强烈的。摩擦过程可看作是机械能的影响而释放并导致机械能的损失，而摩擦物理和摩擦化学过程在很大程度上取决于机械能作用的性质和强度。和摩擦物理过程紧密相联的摩擦化学反应，在很大程度上取决于相互作用的摩擦副材料的表面状态、化学组成、物理和力学性能及显微结构。因而在固体润滑上是力学、化学、物理和材料科学的多学科的交叉点。现在仅从化学方面在这个点上的发展概况予以介绍。 　　“摩擦化学是化学的一个分支，它研究的是在机械能影响下发生的固体的化学和物理－化学变化”。另外，在Jost，H．P．教授领导下，摩擦学作为科学的新领域而被创立，摩擦化学也成了摩擦学的一个子域。摩擦化学中最重要的差别是对作用物的活化(或激励)的机制方面。由于摩擦生热，而且曾观察到有的摩擦副固体接触部位，在滑动过程中可达到1000℃的高温，所以有人认为，机械能是通过转化为热能再转化为化学能的，并提出了有关摩擦化学的“热点”模型和闪温假说。这种模型曾盛行于六、七十年代，现在仍被不少作者以不同的修正形式引用着。但就在这时，已经发现了许多用单纯热活化机制无法解释的现象。 　　摩擦时许多固体反应得到与用热化学反应不同的产物。加热HgCL2时会升华而不分解，而用摩擦化学的方法很容易将氯化汞分解为它的组分；氯化银红热时也只熔化而不分解，然而在小的剪应力作用下会伴随发生部分分解而生成金属。 　　与受热的固体相比，摩擦时的固体反应活性往往以数量级计增加。最突出的例子是Tabor等人关于铁的氧化膜生长速率的研究，当铁在受应力的表面上滚动摩擦期间，短短的几分钟内就出现了暗灰色生锈层，而在无机械应力时这些生锈层的生长通常需要1017年。另外，实验结果表明，通过摩擦化学活化金属镍，可使镍的羟基化反应速率比热化学反应高3个数量级。 　　 摩擦化学反应对温度的依赖关系和热反应不同，有些摩擦化学反应速率的温度系数随温度降低逐步变小，最后趋于极限零。 　　与热反应不同，摩擦化学反应速率对体系压力的依赖关系是降低的，而且其数据经常为零。如羟基镍的合成在热反应中为二级反应，而摩擦化学控制的反应则依赖于处理强度和温度，反应级数在0～0.5之间。通过摩擦机械激活，可观察到不是以热反应方式进行的化学反应。 　　有些摩擦化学反应不能用经典热力学的判据加以判断。例如，在机械摩擦处理时，常会出现一些△G>0的过程仍可自发进行。 　 以上事实表明，摩擦化学过程，特别是对作用物的活化过程不能归结于简单的“热点”或热活化过程。问题是如何认识摩擦化学过程的本质。为了查明机械摩擦期间发生的一些现象，某些所用的过程本身在摩擦物理学领域仍然是研究课题。摩擦化学的研究对象包括了流体润滑和固体摩擦，但由于固体化学反应本身的复杂性，摩擦化学研究在固体润滑领域显得尤为重要。 　　近年来，固体润滑领域和工业生产，特别是高技术有着极其密切的关系，迫切要求机械学家、化学家、物理学家和材料科学家密切合作，迅速开拓这个领域的工作，开发新的研究方法和技术手段，建立更好的反应过程实质的理论模型，促使机械工程学、摩擦化学、摩擦力学、摩擦物理以及材料科学等更好地适应生产发展与技术进步的需要。