我国人造金刚石产量占世界90% 但高端产业应用仍有短板

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2018-07-24
【摘要】:以金刚石为代表的超硬材料及制品被誉为“最硬最锋利的工业牙齿”。航空航天、国防军工以及光伏与电子信息等领域里的各种高难材料加工难题,在它面前都迎刃而解。

 科学网消息,以金刚石为代表的超硬材料及制品被誉为最硬最锋利的工业牙齿。航空航天、国防军工以及光伏与电子信息等领域里的各种高难材料加工难题,在它面前都迎刃而解。

而在科学家的眼中,单晶金刚石不光是“工业牙齿”,还是“终极半导体”。在7月17日召开的中国超硬材料行业发展专题研讨会上,有专家甚至表示,“没有金刚石就没有信息产业”。

作为一种新材料,超硬材料引领着我国高端制造业的发展。

截至2017年底,我国人造金刚石产量已占世界总产量的90%以上,立方氮化硼产量已占世界总量的70%以上,我国已成为名副其实的超硬材料生产制造大国。

但这些材料在一些高端产业的应用上,我国仍有一些短板。“量小、品种多的产品,企业都不想干,可短板往往就在这些地方。”中科院院士田永君直言。

有望引发新一代半导体技术革命

在国家新材料产业发展专家咨询委员会主任、中国工程院原副院长干勇看来,超硬材料是新材料领域的一个重要而独特的板块,在国民经济建设中有广泛的应用。

“工业牙齿”名不虚传。以金刚石车刀为例,其刃口圆弧半径可以刃磨到连扫描电子显微镜也无法检测,利用它来切削加工,往往可以直接获得镜面。

“利用金刚石超硬的力学性能,可加工世界上所有的已知材料。”中国机床工具工业协会超硬材料分会高级顾问李志宏告诉《中国科学报》记者,“利用其无与伦比的热光声电性能,可用于航天员宇宙射线防护、尖端武器装备隐身防腐、提高导弹飞行速度与打击精度、大功率激光探测,可用作大规模集成电路及LED新光源热沉等尖端领域。”

有的手机一打就发热,温度一高就不工作,原因是它的半导体元器件不耐高温。集电学、光学、力学、声学和热学等优异特性于一体的单晶金刚石将解决这一问题。

金刚石电子器件相比其他半导体器件具有体积小、集成度高和无需制冷的优势。北京航空航天大学材料科学与工程学院教授张涛相信,金刚石将引发新一代半导体技术的革命。

“默默无闻”的最前沿材料

“超硬材料是石油勘探与矿山开采、机床机械与汽车制造、轨道交通、核电、国防军工与航空航天重大工程以及光伏与电子信息等战略性新兴产业中不可或缺的高功能材料。”干勇说。

不过,除了业内人士,这些并不为人们所了解。张涛打趣道:“最前沿的材料也是‘默默无闻‘的材料。”

截至2017年底,我国人造金刚石产量已占世界总产量的90%以上,立方氮化硼产量已占世界总量的70%以上

我国已成为名副其实的超硬材料生产制造大国。

尽管总体上目前我国超硬材料的产品质量技术已达世界先进水平,但干勇坦言,“在一些高端产业上还有短板”。

比如在硬质合金棒料开槽砂轮领域,高端市场基本被美、日、德等发达国家垄断,国内超硬材料砂轮制备技术虽然一直在发展之中,但砂轮锋利度和保型性这一矛盾仍是开槽砂轮的一大难题。

“量小、品种多的产品,企业都不想干,可短板往往就在这些地方。”中科院院士田永君直言。

这对超硬材料行业的创新活力、可持续发展构成挑战。为此,田永君表示,国家在重视科研的同时,也应该向相关产业倾斜,高端前沿靠进口是不行的。

国产设备是关键

据清华大学材料加工工程系博士常松去年11月在网易新闻“了不起的中国制造”介绍,人造钻石成本约为天然开采钻石的一半。中国2016年人造钻石产量逼近200亿克拉。

中国合成金刚石在全世界占据绝对优势与自主研发的大型化合成压机、优质硬质合金顶锤、粉末触媒和间接加热工艺(合称粉状工艺)的工业化密不可分。

大型化合成压机是合成金刚石的核心设备,它要创造一个高温(>1400℃)、高压(>5GPa)的合成腔体,依碳元素平衡相图,在这个腔体内,使碳原子形成稳定的金刚石晶体。

国外常用的是单轴向压力机,通称两面顶压机,而中国则用互成90°的三轴向压力机,这种六面顶压机,靠铰链式结构承载三轴向压力。

国产铰链式六面顶压机

对于压力机来说,最关键的零件就是组成合成腔的钉锤。顶锤要承受复杂苛刻的压缩、剪切、拉伸应力的作用,加上加热时瞬时锤面温度达500~600℃,要求近万次反复使用寿命,服役条件十分苛刻。目前,顶锤材料采用WC-Co合金。

中国从1965年设计制造这种六面顶压机,迄今整个行业几乎全采用六面顶压机,并且开始被国外厂商引进。

有了合成的工具,接下来就是解决原料和工艺的问题了。合成金刚石需要的材料包括石墨和金属触媒,从2005年开始,整个合成金刚石行业都开始使用粉状工艺,这种工艺是将石墨粉和触媒粉的混合粉冷压成合成块,随后脱氧处理,处理后的合成块装入叶蜡石的合成腔体中,靠两端导电帽将大电流引入缠绕在合成块周围的碳质之类的薄件发热体上,在合成块周围形成一个加热炉。

功不可没的门头沟叶蜡石

任何材料的发展都离不开原料的支撑。叶蜡石是超硬材料生产必须使用且不可替代的保温、绝缘、密封和传压介质。

“我国叶蜡石矿藏虽有一定分布,但北京市门头沟区的叶蜡石矿因特殊地质成因被证明是最适合于超硬材料合成的。”中国机床工具工业协会超硬材料分会技术专家委员会委员崔祥仁曾对我国叶蜡石的几大主产区进行了采样调查,结果发现,北京门头沟叶蜡石的独特性能是其他任何地区的叶蜡石无法替代的。

北京门头沟叶蜡石属高铝型,其最大特点是在高温下绝热性与导压性能较之国内同类矿石更为优越,物理化学性能更为稳定。因而被最广泛用于合成金刚石制造业,占该行业用量的98%以上。

 “门头沟叶蜡石为我国超硬材料行业的起步、发展和壮大做出了不可磨灭的贡献”,燕山大学材料科学与工程学院研究员王明智表示,“希望继续秉持绿色、环保、可持续发展理念,在新时代为我国超硬材料行业发展做出更大贡献,为国家战略性新兴产业的发展做出更大贡献,为实现《中国制造2025》国家战略目标做出更大贡献”。

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