葛昌纯-2019年度最高科学技术奖提名公示材料

chunyun

候选人基本情况        葛昌纯、材料科学与工程、教授、北京科技大学、博士
提名单位        教育部
提名意见
（不超过600字）        葛昌纯是我国著名核材料、粉末冶金和先进陶瓷专家，六十多年来奋战在材料研究第一线，为国防工业和材料科学与工程事业做出了重大贡献。
葛昌纯是浓缩 U235复合分离膜制造技术的主要奠基人。1964年他带领专题组创建起我国第一个粉末冶金纳米材料实验室，研制并生产成功被前苏联称为“社会主义阵营安全的心脏”、孔径为纳米量级的乙种分离膜。经18年连续运行证明质量可靠，1985年“乙种分离膜的制造技术”被评为国家发明一等奖，葛昌纯为第一发明人。他作为专题负责人继续研制成功了丁种、戊种和己种分离膜。1967年钱三强主持召开的674会议上决定以丁种分离膜取代上海冶金所的甲种分离膜，不仅使分离效率提高了4.5 %，成本降低了50%，而且使我国分离膜的生产完全立足于国内，满足了制造原子弹、氢弹和核潜艇的急需，为我国“两弹一星”事业作出了重大贡献。1966年他作为对社会主义建设有重要贡献的科技人员受国务院邀请登上天安门城楼参加国庆观礼。
葛昌纯是我国粉末冶金主要奠基人之一、核反应堆材料和先进陶瓷主要开拓者之一。1986年葛昌纯等创建起我国第一个粉末冶金博士点。他对我国还原铁粉生产进行了全面技术改造；先后研制成功粉末高速钢、不锈钢和第三代粉末高温合金；首次研制成功五种核聚变堆用关键材料。2016年他被中国金属学会授予“冶金科技终身成就奖” 。
对照国家最高科学技术奖授奖条件，我部决定提名葛昌纯为2019年度国家最高科学技术奖候选人。


葛昌纯1952 年起长期从事材料科学研究，他在浓缩U235复合分离膜、核反应堆材料、粉末冶金和先进陶瓷方面做出了重大的创造性贡献。浓缩U235是制造原子弹、氢弹、核潜艇、核反应堆的燃料。气体扩散法是上世纪六十年代唯一工业化制取浓缩U235的方法，而分离膜是该方法的核心元件，制造难度极大，前苏联称之为“社会主义阵营安全的心脏”。葛昌纯作为我国浓缩U235复合分离膜专题负责人，是国家一等发明奖“乙种分离膜的制造技术”第一发明人，为他后续研制成功的丁种、戊种和己种分离膜奠定了理论和技术基础。他是我国浓缩铀分离膜领域拥有发明权限最多（6 项）、撰写论文最多（16 篇）的发明人，是浓缩 U235用复合分离膜制备技术的主要奠基人，为我国“两弹一星”事业作出了重大贡献。他首次研制成功五种核聚变堆用关键材料—面向等离子体功能梯度材料（FGM），开拓了FGM在核聚变领域的应用前景；研制成功粉末高速钢FT15等一系列粉末合金钢；把我国落后的还原铁粉生产进行全面技术改造，为在武钢建立起我国第一个现代化还原铁粉基地奠定了基础；提出以复合氮化物作Si3N4的助烧剂，研发出国家级新产品ST-Si3N4基陶瓷刀片；首次提出和应用 “活性稀释剂”概念，成功制备 Si3N4/TiC/TiCN等一系列复相陶瓷；他和赖和怡创建起我国第一个粉末冶金博士点，培养了37位博士和68位硕士，发表论文450余篇，专利55项。他是我国粉末冶金主要奠基人之一、核反应堆材料和先进陶瓷主要开拓者之一。2007年10月葛院士被科技部聘为第二届国家磁约束核聚变专家委员会顾问；2014年以“空间太阳能发电”为主题的香山会议中担任四位执行主席之一，是国防科工局聘定的空间太阳能发电的六位院士高级顾问之一。2016年11月中国金属学会授予葛昌纯院士“冶金科技终身成就奖”。
（一）葛昌纯是浓缩 U235用复合分离膜制造技术的主要奠基人
上世纪60年代只有美、苏、英三国掌握了浓缩U235分离膜的制造技术。U235在天然铀中含量只有千分之七，用气体扩散法分离U235与U238，就是要把分子量差别极小的U235F6与U238F6，通过数以百万计的分离膜予以分离。要使膜具有好的分离效果，必须在1cm2膜上具有1010个以上、孔径为纳米量级的微孔且分离膜必须具有对UF6极强的抗腐蚀性。1960年前，前苏联帮助我国建起气体扩散厂并供应甲、乙两种分离膜，其中甲种膜为单层丝网骨架膜（丝网是需要用从南非进口的金刚石制成的拉丝模拉出的镍丝织成）、乙种膜为复合膜（无丝网骨架），分别用于粗料端和精料端，但严格封锁制造技术。1960年赫鲁晓夫撕毁协议，撤退专家，断绝对我国分离膜的供应，企图使我国核工业夭折。1960年中央向中国科学院下达研制甲种分离膜、向冶金部下达乙种分离膜研制的紧急任务。
乙种分离膜和甲种分离膜不同，是双层的复合分离膜，专题组必须解决高渗透性与高分离性能的矛盾以及高物理性能和必要的膜片强度与耐腐蚀性的矛盾。葛昌纯作为专题组长在此项发明的九项发明权限中对其中的六项都作出了主要贡献：1.建立了气体流经双层分离膜的数学模型；2.提出和实现了一整套由粉末冶金新技术和20道工序组合而成的制造复合膜的工艺途径和技术路线；3. 确定了优化的超微粉制粉工艺、包铜工艺和粉末性能参数；4.提出并建立了独特的高压静电上粉设备和工艺，解决了在粗粉层上涂覆细粉层和制备分离层的关键问题；5.创造了一种为分离膜专用的双重电化学处理工艺，突破了腐蚀关；6. 制成了浓缩系数超过苏联同类膜7.9％的中国乙种分离膜。
葛昌纯等突破了腐蚀关后，主动向领导提出：负责甲种分离膜研制任务的上海冶金所的腐蚀关还没过，我们应该帮助他们。葛昌纯的建议得到领导的赞扬，他立即派电化学处理组副组长徐温崇等两人到冶金所传授双重电化学处理技术，冶金所也派人来钢研院学习。随着腐蚀关的突破，上海冶金所的甲种分离膜也很快研制成功了。
在乙种分离膜通过机组鉴定实验和完成生产任务后，国务院国防工业办公室和中共中央国防工业政治部先后发来贺信指出：“…实验证明（乙种分离膜）性能良好，能够满足生产使用要求。这就为我国自力更生地发展原子能事业做出了重要贡献。”“这一任务的完成是你们...所取得的巨大成果，是对我国国防工业建设做出的重要贡献。”冶金部在申报国家一等发明奖审查意见中指出：“乙种分离膜经18年连续运行证明质量可靠，情况良好。乙种分离膜的研制成功使我国用于气体扩散法分离铀同位素精料端机组的分离膜完全立足于国内，打破了超级大国的核垄断，对于我国核工业的发展具有战略意义，经济效益也十分显著”。本成果是冶金部材料科学领域唯一的一项国家一等发明奖。 1997年4月，国家一等发明奖“甲种分离膜的制造技术”第一发明人、“两弹一星”功勋科学家吴自良院士为葛昌纯申报中国科学院院士写的推荐意见中指出：“…他从理论上创造性地提出和推导了复合膜结构参数和特性参数之间的关系式以及复合膜各层参数之间的关系式，并提出和实现了一条独创的制造复合分离膜的工艺路线，在解决复合分离膜的特殊关键问题上取得了突破性的进展。1964年他又直接负责攻克了最后一个难关—双重阳极氧化处理…”。 2015年1月，中国工程院院士、铀同位素分离技术专家钱皋韵研究员作为葛昌纯申报2015年国家最高科学技术奖的推荐人写的推荐意见中指出：“…后来钢铁研究院又在葛昌纯的领导下，用乙种片状膜的工艺研制成不需要骨架的管状丁种分离膜，其制膜成本比甲膜降低了50%。在3#机组额定工况下生产，浓缩系数比国产甲种分离膜提高了4.5%。1967年一次技术会议上决定用以代替原甲种分离膜…使我国在气体扩散分离技术上，居于与美、苏、法同样的水平。1990年中央表彰“两弹一星”突出贡献科技专家，由于当时历史原因，及基本上由科学院牵头提名，而知情人钱三强已过世，未把在分离膜研制中做出同样贡献，甚至在使用中贡献更大一些的冶金部纳入视界…”。2000年1月14日国务院副秘书长徐荣凯受国务院副总理温家宝的委托，亲切看望了葛昌纯，面交了1999年10月30日科学技术部办公厅文件国科办高字[1999]380号文件，其中指出：经核实对葛昌纯及其同事在“两弹一星”事业中分离膜研制方面所做出的重大贡献表示衷心的感谢和崇高的敬意。并献上一束蝴蝶兰鲜花表示褒奖。2001年葛昌纯当选为中国科学院院士。
（二）葛昌纯是核聚变堆面向等离子体材料和超临界水堆关键材料的开拓者之一
1. 早在我国加入ITER之前十年的1996年，葛昌纯向国家提出了顶层设计项目“耐高温等离子体冲刷的功能梯度材料（FGM）研究”建议书，指出其在军事上和高技术领域有三项重要的应用前景，第一项就是核聚变反应堆第一壁的面向等离子体材料。1997年863新材料委员会组织答辩论证批准立项。他首创了超高压通电烧结技术与装备（UHPRS,发明专利ZL00121189.7），用于具有高熔点差和递变电阻的W/Cu、SiC/Cu、B4C/Cu 等材料，成功制备出相对密度达96-100%、成分分布从0-100%的三种FGM。他首次用五种不同的技术与装备研制成功W/Cu 、SiC/Cu、B4C/Cu、SiC/C 四种块体FGM和B4C/C、B4C/Cu两种涂层FGM。经核工业西南物理研究院模拟测试装置分析和原位等离子体辐照实验表明在物理、化学溅射、热解吸特性和高热负荷性能等方面已达到国际先进水平，开拓了FGM在核聚变领域的应用前景。
2. 葛昌纯领导的研究团队深入开展钨基第一壁和偏滤器材料（PFM）的制备研究和超临界水裂变堆关键材料研究，取得一系列重要创新成果：(1) 提出、设计和制备分别用于聚变堆和超临界水堆的“中国核钢（Chinese Nuclear Steels, CNS）”弥散强化（ODS）CNS-1和ODS CNS-2，及适于作燃料包壳管的Φ10mm×0.5mm×25m薄壁管; (2) 首次采用非晶碳纳米管为模板制备钨纳米线，将纳米线引入钨基体大幅度提高钨的韧性，采用湿化学共沉淀法和沉淀包覆法制备具有核壳结构的钨-氧化钇（镧）、钨-碳化钛（碳化锆）等系列钨合金粉体，其弥散相保持纳米尺度分布在钨晶粒内部, 同时增强增韧钨基体； (3) 采用真空熔铸工艺制造ODS钢，解决了机械合金化方法制造ODS钢存在的批次量小、稳定性差、周期长、成本高等问题，为聚变堆的面向等离子体材料提供了崭新的重要候选材料。熔铸ODS钢焊接后的高温力学性能优于非熔铸ODS钢；在预注氦100appm、离子辐照到200dpa，未检测出辐照肿胀；此项成果在2017年底在日本召开的ICFRM-18大会报告后得到与会专家们的高度评价。 2011-2013年，葛昌纯在第15、16届两次国际热核聚变反应堆材料大会上都做了题为“中国核聚变面向等离子体材料研究进展”的大会报告，受到国际同行的高度评价。 2011年，葛昌纯率领的中国代表团成功获得第十六届ICFRM的主办权，这是我国首次申办成功的核聚变堆材料领域的最高级别会议，奠定了葛昌纯和他的核材料研究团队在国内外核聚变材料领域的重要学术地位。
（三）        葛昌纯是粉末冶金材料领域的奠基人之一和先进陶瓷领域的开拓者之一
1. 在粉末冶金材料研究方面：他建立起我国第一个纳米材料实验室并研制成功一系列纳米粉末和纳米材料；和天津粉末冶金厂、首钢设计院合作，首次把我国落后的还原铁粉生产线全面技术改造为以高温一次还原、多次磁选、长寿命SiC罐和二次还原为核心的连续化生产线，研制和生产成功质量达到国际先进水平的二次还原铁粉，为在武钢建立起我国第一个现代化的还原铁粉基地奠定了基础；在国内首先研制成功全密度、无偏析、使用寿命为熔炼高速钢3-7倍的粉冶高速钢、热等静压FT15钢锭、热挤压FA32棒材、粉末锻造FP18插齿刀和喷射成形FP9V模具与轧辊，建立起我国第一个粉末高速钢中试基地；开拓了我国制造全密度、高性能粉冶合金钢的五项技术并和北京特钢、雅安机器厂等分别合作建立起我国第一台预应力钢丝缠绕热等静压机和第一台双2000（2000℃, 2000atm）热等静压机；与韩凤麟合著出版我国第一本钢铁粉末专著《钢铁粉末生产》。
2. 在先进陶瓷材料研究方面，首次提出和实现了用无毒性复合氮化物取代氧化物作氮化硅的助烧剂，开发了国家级新产品 ST 新型复合氮化硅基陶瓷刀片，建起了三条生产线。国际 Sialon 陶瓷开拓者、D.P. Thompson 博士在 1992 年3月通过英国皇家学会（Royal Society）邀请信谈到他对此项工作的评价：“我已非常感兴趣去跟踪你以 AlN 和 ZrN 作为 Si3N4和 Sialon 陶瓷的添加剂，其结果对开发一族新的高温陶瓷将是非常有前途的”。
3. 1985 年以来他在气-固体系和固-固体系燃烧合成（SHS）和波聚合（低温燃烧合成）方面进行了系统的研究。他首次提出和应用 “活性稀释剂”概念，成功制备 Si3N4/TiC/TiCN、 Si3N4/Si2N2O/TiN、AlN/ZrN、AlN/ZrN/Al3Zr等一系列复相陶瓷和 Si3N4、SiC 纳米晶须；首次在大热等静压机(φ120×350mm)上燃烧合成致密 TiB2-Cu 功能梯度材料；解决了气固系 SHS-Si3N4 高燃烧温度与制备低温α相的矛盾, 首次在低于 3MPa 、60立升高压釜中，一次合成 5kg >95%α-Si3N4，在国内率先用于太阳能硅电炉用Si3N4涂层和复相陶瓷刀片。2004年，葛昌纯当选为世界陶瓷科学院院士。
（四）葛昌纯为我国科技发展提出战略性建议
1. 葛昌纯在中国加入ITER计划中做出了突出贡献。2004年他在国家召开的关于ITER计划的论证会上，做了《抓住时机，参加ITER，加快我国核聚变能的研究开发》的长篇发言，系统论证了中国加入ITER计划的必要性和可行性。科技部高度评价他在ITER计划论证中的贡献。2007年10月，葛院士被聘为第二届国家磁约束核聚变专家委员会顾问。
2. 葛昌纯是我国空间太阳能发电及其关键材料建议的倡导者。2004年他向科工局提出“关于我国发展空间太阳能发电 (SSPS) 及其关键材料研究”的建议，是第一个得到国家采纳的关于SSPS的建议。他是科工局聘任的论证国家重大项目SSPS的六位院士高级顾问之一。
(五) 近5年的主要贡献
1. 他首次提出和研制成功制取无陶瓷夹杂物的洁净高速钢、模具钢和高温合金粉末的电极感应熔化气体雾化技术和装备，突破了母材电极与线圈、频率、输出功率和热导耦合的瓶颈，实现了连续可控。现已进入产业化阶段，所得超洁净粉末在航空、航天、核材料、3D打印等领域有广阔的潜在市场。
2. 他提出自主创新以EIGA等雾化制粉技术为核心和以喷射成形技术为核心制备粉末高温合金涡轮盘的技术路线，设计和研制成功三代粉末高温合金FGH4095M、FGH4096M和FGH100L，其综合性能均已达到和超过美国同类牌号的性能。
3. 他首次提出把冷喷涂（CS）与以W（CO）6为前驱体的化学气相沉积（CVD）相结合，以W-Ni-Fe梯度涂层作过渡层，成功制备了厚度达2mm、CVD厚度35μ、结合强度35MPa的核聚变堆用的涂层面向等离子体材料，其500℃抗热震达38次，800℃抗热震18次。


10个代表性课题
序号        项目名称        项目来源
1        乙种分离膜的制造技术        国家重大专项
2        耐高温等离子体冲刷的功能梯度材料研究        863项目
3        超临界水堆关键科学问题的基础研究        973项目
4        聚变堆面向等离子体材料的基础研究        国际合作重大专项ITER配套
5        聚变堆面向等离子体材料的制备新技术研究  国际合作重大专项ITER配套
6        高合金钢部件的精密喷射成型技术        863项目
7        高品质氮化硅和碳氮化钛超细粉低成本制备技术        863项目
8        火花等离子体放电球化制粉技术的应用基础研究        自然科学基金项目
9        太阳光直接泵浦激光介质研究        国家专项
10        超洁净高温合金EIGA制粉技术        国家专项