我国人造金刚石产量占世界90%以上 高端产业尚存
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2018-07-20 05:38

  科学网7月18日消息,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。

我国人造金刚石产量占世界90%以上 高端产业尚存

  网易新闻“了不起的中国制造”图(下同)

  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。

我国人造金刚石产量占世界90%以上 高端产业尚存

我国人造金刚石产量占世界90%以上 高端产业尚存

  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。

我国人造金刚石产量占世界90%以上 高端产业尚存

  国产铰链式六面顶压机