人造金刚石合成技术开拓创新的50年_王光祖

文章编号:1006-852X(2004)06-0073-05

人造金刚石合成技术开拓创新的50年

THE FIFTY YEARS CREATIO N OF DIAMO ND SYNTHESIZING TECHNIQ UE

王光祖

(郑州磨料磨具磨削研究所,郑州450013)

Wang Guangzu

(Zhengzhou Research Institutef or Abrasives and Grinding,Zhengzhou450013,China)

摘要:人们经过近百的艰苦探索,世界人工合成的金刚石终于1954年12月16日在美国通用电气公司诞生,从而拉开人工合成金刚石的序幕。50年来,金刚石合成技术经历了三次大的飞跃。过去的50年是人造金刚石合成技术不断开拓创新的50年,产品质量及其品种不断提高和增多,以及生产规模和年产量迅速发展的50年,也是应用领域不断拓展的50年。人造金刚石的问世,为促进工业现代化和科学技术现代化的高速发展提供了巨大的技术支撑,并为材料科学的发展和工艺技术、理论创新所做出的重要贡献。

关键词:人造金刚石;合成技术;开拓创新

中图分类号:TQ163文献标识码:A

Abstract:The first synthetic diamond was produced by General Electric Company in the USA in19541This work opened the prolusi on of syn thetic diamond1Within the last fifty years,the diamond syn thesize technique experienced three great inprovements.So,the past fifty years not only were the years of creation of diamond synthesize technique,but also the years of increase in the quali ty and diversities of the products,and the years of rapid development of production scale and annual production,and also the years of continuous expansion of application1The invention of the syn thetic diamond not only provided a great techniq ue supporting for improving the develop ment of industry modernization and science technique modernization but also contributed to the develop ment of materials science and technology1

Key words:synthetic diamond;synthesize technique,exploi ting and innovating

1引言

金刚石是由碳原子构成的典型原子晶体,其来源有二:一是天然金刚石;另一是人造金刚石。由于天然金刚石资源稀少,难于满足工业的各种需求,所以必须走人工合成之路。20世纪50年代初世界第一颗粒人造金刚石的诞生,为人工合成金刚石的科研、生产、应用打开了闸门。在过去的50年中经历了从静态高压高温触媒法合成单晶金刚石,低压低温化学气相沉积法合成微米/纳米金刚石膜,到利用负氧平衡炸药爆轰法合成纳米金刚石的三大跨越的发展过程,为不断开发金刚石的新品种和扩大应用领域提供了重要的技术保证。

金刚石在自然界极其稀少,分布不均匀。到目前为止,全球只有27个国家找到了具有经济价值的金刚石矿床。世界上90%以上的金刚石产于澳大利亚、扎伊尔、俄罗斯、博茨瓦纳、南非、加拿大、安哥拉,金刚石储量均超过1亿克拉。纳米比亚、加纳、中国、塞拉里昂和巴西,金刚石储量超过1000万克拉;印度、几内亚、中非共和国、利比里亚和委内瑞拉、坦桑尼亚等国的金刚石储量均超过500万克拉。从价值而论,南非供应了世界50%以上的宝石级金刚石。目前,澳大利亚是世界上最大的金刚石产出国,扎伊尔居世界第二位,博茨瓦拉居第三位。加拿大的金刚石资源极具潜力。自2800年前,印度首次开发金刚石砂矿以来,迄今为止,世界上共采出金刚石约26亿克拉,约520吨。从20世纪90年代中期至新世纪,全球天然金刚石年产量巳突破1亿克拉[1]。

正如大家所知,工业金刚石在以天然金刚石为主的时代,有什么性能的金刚石用户就只能用什么样的金刚石,到了以人造金刚石为主的时代,则用户需要什么性能的金刚石,就研究生产什么样性能的金刚石,是人定胜天的生动体现!因此,可以毫不夸张地说,进入21世纪人的一生将离不开金刚石,所以一个国家若不重视发展工业金刚石,那么国防现代化、工业现代化和科学技术现代就无从谈起。在过去的50年中金刚石合成技术的不断创新为实现上述三个现代化提供了有力的技术支撑。可见,人工合成金刚石的研制成功对

2004年12月金刚石与磨料磨具工程December12004总第144期第6期Diamond&Abrasives Engineering Serial1144No16

人类的物质文明的进步具有何等重要的意义。本文仅就50年来所取得的一些主要成就做一简要回顾。

2辛勤耕耘、梦幻成真

20世纪高压高温技术发展最辉煌的成果,是世界上硬度最高且极其稀有的物质-金刚石可以用人工的方法合成了!实现了金刚石合成技术的第一次飞跃。这是一个值得永远怀念并载入材料科学发展史册的年份。半个世纪以来,静态高压高温触媒法合成技术取得了一系列重要成果,本节仅就其中一些主要成就做一阐述。

211超高压高温装置及其大型化

超高压高温装置的研制成功实现了人工合成金刚石的美好愿望。这里需要提及的是美国著名的高压研究者P1W1Bridgman在超高压技术方面的研究所做出的杰出贡献,并为这门技术奠定了基础。以美国通用电气公司H1T1Hall为首的试验小组,根据P1W1B ridgman的大质量支撑原理所设计的Belt两面顶装置,并解决了用金属催化剂来实现石墨直接转变为金刚石的关键技术。为后来人造金刚石的发展作出了开创性的贡献[2]。

虽然超高压高温装置的种类很多,但是,目前世界用于金刚石生产的超高压高温装置有三种类型[3]:

(1)以GE公司和De Beers公司为代表的年轮式超高压高温装置。

(2)以中国为代表的镀链式六面顶超高压高温装置。这种类型的装置是中国超硬材料生产的主力机群,约有5000多台,为世界之最。

(3)以前苏联为代表的双面凹式超高压高温装置。

上述装置具有各自的特点,但从综合技术分析,年轮式装置在实现金刚石高端产品生产和降低生产成本,以大型化方面更具优势。因为两面顶装置具有高压冲程适中、压力稳定性好、合成重复性好等优点。因此,合成腔体的温度和压力场能够长时间稳定,适合生长高品级金刚石和大直径的复合片等产品。所以,利用两面顶合成技术生产超硬材料是西方发达国家超硬材料产业的发展主流。该工艺具有技术密集、资金密集的特点,长期为美国、英国等少数国家所垄断。

艺精长运超硬材料有限公司是目前国内几家坚持用两面顶进行金刚石生产和新产品开发的企业之一。2001年立项的3000吨两面顶法合成高品级金刚石的研制成功,实现了世界先进技术平台的初步接轨。三柱式3000吨两面顶压机和扁平化直径70mm合成腔体模具,二者都是迄今为止国内自行设计的最大装置,首创外层钢丝缠绕式超高压模具,也是国内目前最领先有自主知识产权的装置,不仅考虑了大型化的需要,更充分地考虑了国际上最先进的粉末工艺技术路线的使用需要。以直径70mm腔体超高压模具为例,可实现金刚石单产90-160克拉,高品级(MBS960与950)含量35-40%,产品TI、TTI差值小于或等于5%,达到国际水平。3000吨压机和直径70mm模具的运行成功,从技术角度较大地拉近我国与世界先进水平的距离,为将要进行的设计的6000吨压机迈进奠定了良好的基础,从而使中国两面顶技术也开始主动追赶世界先进技术的发展潮流[4]。

超高压腔体的大型化及其控制水平的提高,是关系到人造金刚石生产技术提高众多因素中的关键。因此,一直是人们关注的热点和重要课题。为控制金刚石高端产品在国际上的垄断地位,De Beers公司研发费投资50亿美元,GE公司也投入了30多亿美元。实践表明,高压腔体的大型化的确能带来高产、优质和低成本的好处。

212粉末触媒的开发与应用

德国Winter公司投入巨资,经过7年探索开发出的用粉末触媒合成高品级金刚石的工艺方法,与片状触媒合成金刚石的工艺方法相比,具有三高的功效,即可提高单位体积中金刚石的得量,晶体完整,缺陷少以及经济效益显著,显然是金刚石合成技术发展中的一项具创新性成果。据了解,GE公司和De Beers公司生产高品级金刚石采用的也是粉末触媒,表明这种方法具有先进的实用性。

213产品品种的系列化、专用化

本节以De Beers公司的产品为例给予阐明。SDA 系列磨料为高强度产品,1985年推出的SDAplus系列,是为扩大锯片生产中金刚石磨料的选择范围,1992年推出的SDB2000系列又是对SDAplus系列产品的补充,Monocrystal单晶系列80年代表末推出的新品种:包括Monodie拉丝模坯系列、Monodite刀具坯系列和Monodress修整器系列,代表了当今人造金刚石单晶工业化生产的最高水平,显示出一个公司技术势力高的综合水平[5]。

214金刚石产、耗量增长

目前世界上能够生产人造金刚石的国家有二十几个:美国、英国、中国、爱尔兰、俄罗斯、鸟克兰、瑞典、韩国、日本、法国、白俄罗斯、乌兹别克、德国等等,我们估计,世界人造金刚石现今年产量突破30亿克拉,其中中国年产量有20亿克拉之多,为世界人造金刚石生产的超级大国,中、低端产品产量属世界之最,其价格之

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