师昌绪：一切为了祖国腾飞

2011年1月14日，中国科学院和中国工程院院士史长旭获得2010年国家最高科学技术奖。这位著名的材料科学家是我国高温合金的先驱之一。他一生都在处理各种材料，为中国创造了许多第一。为此，史长旭院士接受了《科学世界》杂志的专访。

“每天睡四到六个小时，开40多次会，写文章和做报告，一年内去过北方的哈尔滨和南方的广州十几次……”很难想象这紧张的日程安排与一个91岁的老人有什么关系，而这正是2010年的石长旭。

20世纪20年代，石长旭出生在河北省徐水县的一个大家庭里。动荡的局势和他年轻时经历的连年战争使史长旭从小就梦想成为一个强大的国家。此时，他“每当听到哪个县的人出国留学归来，或者谁对国家做出了卓越的贡献，他就羡慕不已，并决心向他们学习。”

这些细节，就像励志电影中的一样，有一定的铺垫——20多年后，史长旭登上了美国“麦格将军”号运输船，开始在密苏里矿冶学院留学。像当时许多在美国学习的中国学生一样，年轻的史长旭很快就展示了他的科研才华。

史长旭在麻省理工学院

在攻读硕士学位期间，他利用真空中的蒸汽压原理，从炼铅过程中获得的锌渣中分离出纯度超过90%的银。这种独特的方法改进了100年前发明的用锌萃取物从铅中提取金银的方法。1952年，他在美国奥蒂丹大学的博士论文是关于铟-锑-砷三元合金的相图，这有助于今天化合物半导体的发展。

年轻的史长旭夫妇

在美国麻省理工学院做博士后研究期间，他在著名的科恩教授的指导下研究了硅在超高强度钢中的作用。他巧妙地改变了钢中硅和碳的含量，取得了良好的效果。在研究成果的基础上开发的300米高强度钢已成为20世纪60-80年代世界上最常用的起落架用钢，解决了因断裂韧性或冲击值不足而造成起落架重大事故的问题。

他问心无愧地做出了一些贡献。

1955年4月，由于日内瓦会议的结果，史长旭被列入76名归国中国留学生的名单。6月，他经由旧金山回到中国。9月，他被分配到中国科学院金属研究所研究高温合金材料。在后来出版的选集中，他将这部作品概括为“问心无愧，为社会进步做出了一些贡献”。

20世纪40年代，喷气技术出现在世界上。这项技术的前提是高温合金结构材料的出现。所谓的超级合金是指高温合金化的铁基或镍基或钴基奥氏体金属材料，它能承受较大的复合应力(单位面积的内力)，并在600℃以上的高温环境中具有较好的表面稳定性。基体是高度合金化的奥氏体，通常含有10-20种合金元素。这些元素分为三类:固溶体强化元素(铁、镍、钴等)。)，沉淀强化元素(铝、钛等。)和晶界强化元素(硼、碳、锆、稀土元素等。)。它们在高温合金中扮演不同的角色。这些元素以不同的比例共同参与，通过各种强韧化工艺，可以保证高温合金从室温到高温具有良好的强度、表面稳定性和良好的塑性。

其中，固溶体强化元素和沉淀强化元素都形成内应力场，为位错运动制造障碍，导致原子局部不规则排列。例如，镍具有面心立方结构，其从室温到高温没有同构转变，并且具有比铁更好的高温强度。同时，由于镍原子的第三原子壳层被填充，它可以溶解更多的合金元素进行合金化，并且仍然保持稳定性。镍基合金在现代先进航空发动机所用材料的总质量中占50%以上。然而，晶界强韧化元素是高温合金中的微量元素。一些可以延长合金的使用寿命，一些可以提高合金的纯度，一些可以提高高温合金的抗氧化性。

1939年，英国独立开发了惠特尔涡轮喷气发动机，成为世界上第一个研究和开发高温合金的国家。涡轮发动机具有大的推力与推力载荷比，并且其涡轮入口温度非常高，这要求相应的部件具有非常好的机械性能，并且在非常高的温度下仍能正常工作。为了满足这种发动机的热端部件的要求。1939年，英国蒙德镍公司首次在80Ni-20Cr电热合金中加入0.3%的钛和0.1%的碳，并成功地开发出了Nimonic75合金。在800℃、47兆帕的力的作用下，300小时后变形缓慢不超过0.1%。这种低蠕变特性更适合于制造板材和生产板材零件，例如火焰管。1941年，科学家增加了Nimonic75合金中的钛含量，并添加了1%的铝来开发Nimonic80合金，这是最早的Ni3/(铝、钛)强化涡轮叶片合金。

新中国成立初期，由于工业落后，没有自己的高温合金工业。涡轮喷气发动机都是从苏联进口的。1956年，中国开始模仿苏联超级合金。当时，镍和铬占世界上大多数高温合金的50%以上。然而，中国目前的资源状况是缺乏镍和无铬。由于当时资本主义国家的*，史长旭提出了大力发展高温合金的战略方针。为了克服普通高温合金耐热性差的缺点，史长旭等人在设计成分时，改变了高温合金中“高钛低铝”的传统方法，相应地增加了铝的含量，从而研制出我国第一种高温合金808(GH2135)。

作为航空发动机的涡轮盘材料，GH2135已用于1157涡轮喷气5(WP-5)发动机和涡轮喷气6A (WP-6A)发动机，官方使用的最大寿命为619小时。GH2135合金的研发获得1978年全国科学大会重大科研成果奖。

1964年初，我国设计的新型歼-8战斗机计划进入最后决策阶段。新战斗机的动力问题成为决策中的一个难点:为了提高涡轮喷漆7(WP-7)发动机的推力，必须提高涡轮的进气温度。为了提高温度，必须解决涡轮叶片的耐高温问题。

J-8

在每个人都不知所措的时候，航空学院负责材料的总工程师柯荣在一次会议上提出了“将这台机器的实心涡轮叶片改造成空心涡轮叶片并进行强制冷却”的设计方案。这个想法突然启发了与会的专家。那天晚上，柯荣教授开车去了金属研究所史长旭的家，和他谈论了制造空心涡轮叶片的想法。这位“空心涡轮叶片”工程师从未见过，甚至从未听说过。然而，当宗提出几个计划时，他立即承诺:"既然我们有了答案，我们一定能够做到。"

这种“空心叶片”实际上是从涡轮叶片的设计和制造过程开始的，改变了一种提高涡轮喷气发动机功率的思维方式。也就是说，高压空气通过发动机内部的压缩机导出，这些“冷”空气从涡轮叶片上的这些小孔溢出，这可以将外部高温气体与叶片金属分离，从而实现有效冷却。

飞机发动机示意图

石长旭研制的“九孔锻造空心涡轮叶片”是在WP-7A发动机涡轮叶片的基础上制造的。叶片的特征在于叶片的长度和从叶片根部一侧的进气口。这种结构给空心叶片的制造带来了很大的困难。第一个困难是选择哪种材料作为型芯(在铸造时形成铸件的内部结构)。小孔的直径范围从0.8毫米到1.2毫米，长度为几十毫米。侧面进气口有一个角。难点在于如何定位孔，以及如何保证脱蜡后孔不会改变位置。只有这样，型芯才能在操作和铸造过程中不连续弯曲。为此，史长旭查阅了大量的文件，但无济于事，因为这是一项高度机密的技术，所以他也尝试了几种方案，钼丝、磷酸盐...但是它总是不能令人满意。最后，史长旭在一家美国杂志上看到一则广告，得到了灵感。他认为石英管是制造空心叶片芯的材料，所以他下定决心，把注意力集中在石英管上。经过反复测试，核心问题在不到一个月的时间里就解决了。在克服了型芯材料、定位和抽芯等诸多困难后，由金属开发的M17合金最终在一个简单的铸造实验室中用于制造我国第一个九孔铸造空心涡轮叶片。吹风试验后，叶片表面完全达到了降低100℃的要求。在1966年通过了WP-7A发动机测试和J-8飞机测试飞行后，正式开始生产。

这样，中国的涡轮叶片技术已经上升了两步:一是将实心叶片改为空心叶片，二是将锻造改为真空铸造合金。凭借这一成就，史长旭获得了1985年国家科技进步一等奖。石老回忆道:“在审查会上，我去回复了。我讲完后，没有问任何问题就一致通过了。”

2011年1月14日，**、国务院在北京召开了隆重的全国科技奖励大会。获得2010年国家最高科学技术奖的石长旭院士作为获奖代表发言。

从材料科学家到战略科学家

1984年，史长旭被任命为中国科技部部长。工作重心从沈阳转移到北京，工作性质从研究转向管理。这一年，石长旭组织相关领域的专家对钢铁、能源、通信、计算机、集成电路和科技人才的培养进行了研究。他还对这些领域的现状和存在的问题表示关切。

20世纪80年代，中国刚刚改革开放，确立了外向型经济政策。有色金属或稀有金属作为一种稀缺资源，受到国际市场的青睐，出口非常火爆。"我们应该出口哪种形式，矿石或精矿，还是金属或金属产品？"史长旭想走在别人前面:“我们必须从不同的角度来衡量它。我们不能只看到一些外汇在我们面前，但更重要的是，我们必须考虑长远发展和子孙后代的生存。今天，当世界矿产资源日益枯竭时，如果不从长远考虑，我们将损失惨重。我们不能实行杀鸡取卵的政策。”

在谈到能源消耗时，他还战略性地提到了中国产业结构的不合理性:“在研究能源问题时，研究如何提高能源利用率是一个方面，更重要的是确定合理的能源结构，如未来煤、油、气、水和核能的比例……必须通过调查研究和充分论证来确定。”当时，**非常重视这些认真的建议，其中一些建议被纳入国家“八五”计划。

20世纪90年代，中国科学院主席团成立了“教职工咨询工作委员会”，聘请老老师为首任主任委员。这时，他已经80岁了。在他的领导下，他提出了“核能是东方的支柱，水电和新能源是西方的支柱”的能源发展战略。

在新世纪，纳米技术出现了，并很快受到追捧。石长旭主张建立“纳米科学中心”。与此同时，它致函国务院，要求成立“国家纳米科学与技术指导与协调委员会”。为了从根本上防止可能出现的无序竞争。

“有远见，敢于说话。”这是对许多接触过老师和老人的人的评价。就连他自己也直言不讳:“他喜欢管闲事，不怕得罪人。”

作为一名材料科学家，他是美国以外著名的矿物、金属和材料学会(TMS)的唯一中国荣誉会员。世界上现存的战区导弹防御系统成员只有大约100个，少一个成员就能弥补另一个。作为一名战略科学家，他主持了世界银行贷款建立的75个国家重点实验室和59个专业实验室的评估，然后参与了各种实验室的建设和评估。他为中国工程院的成立做了很多准备，并在74岁时当选为副院长。

几十年来，史长旭不遗余力地为我国的材料科技设施建设服务。在这一连串辉煌的背后，是他对一个强大国家的梦想的坚持和热情。