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鄭州華晶金剛石股份有限公司

人造鉆石的秘密

關鍵詞 鉆石 , 壓機 , 磨具|2018-11-29 10:31:47|來源 中國超硬材料網
摘要 鉆石不僅僅可以加工成價值連城的珠寶,在工業中也大有作為。它硬度高、耐磨性好,可廣泛應用于切削、制造樹脂或陶瓷結合劑磨具,可制造地質鉆探鉆頭,半導體及非金屬材料切割工具;由于導熱率高...

       鉆石不僅僅可以加工成價值連城的珠寶,在工業中也大有作為。它硬度高、耐磨性好,可廣泛應用于切削、制造樹脂或陶瓷結合劑磨具,可制造地質鉆探鉆頭,半導體及非金屬材料切割工具;由于導熱率高、電絕緣性好,可作為半導體裝置的散熱板;它有優良的透光性和耐腐蝕性,在電子工業中也有重要的用途。可以毫不夸張的說,一個國家不重視發展工業鉆石,那么國防現代化、工業現代化和科學技術現代化就無從談起;然而天然鉆石的產量太低,只有依靠人工制造才能滿足工業需求。

       相對于世界上產量較高的國家,我國的天然鉆石資源比較貧乏,產量僅為全球的0.1%,國家工業用鉆石99%以上依賴國產合成鉆石。目前,中國人造合成鉆石的產量已經超過世界總產量的90%。但是國產人造鉆石量大價低,在高端市場不占優勢。

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中國人造金剛石產量

       20世紀50年代的第一顆人造鉆石的誕生,為人工合成鉆石的科研、生產、應用打開了閘門,這主要得益于高溫高壓技術的發展。超高壓高溫裝置的研制成功實現了人工合成鉆石的美好愿望。這里需要提及的是美國著名的高壓研究者 P.W.Bridgman 在超高壓技術方面的研究所做出的杰出貢獻 ,并為這門技術奠定了基礎。以美國通用電器公司H.T.Hall為首的實驗小組,根據P.W.Bridgman的大質量支撐原理所設計的 Belt 兩面頂裝置 ,并解決了用金屬催化劑來實現石墨直接轉變為鉆石的關鍵技術。為后來人造鉆石的發展作出了開創性的貢獻。Hall在1954年12月16日第一次實現了商用人造鉆石的制造,他的突破主要是使用了一個Belt兩面頂壓力機,可以產生10GPa的高壓和2000℃的高溫。這個壓力機使用葉臘石作為容器,石墨溶解在熔融鎳、鐵、或者鈷之中。這些金屬充當熔融催化劑,既溶解碳,又加速其轉化為鉆石。雖然當時制造的鉆石直徑只有0.15毫米,作為珠寶而言太小了,視覺上也沒有什么沖擊,但是仍然可以作為工業研磨使用。他的同事后來重復了他的工作,并把結果發表在Nature期刊上。

       目前超高壓高溫裝置的種類很多,但是,世界上鉆石生產的超高壓裝置大致有三種類型:以GE公司和De Beers公司為代表的年輪式超高壓高溫裝置、以中國為代表的鍍鏈式六面頂超高壓高溫裝置、以前蘇聯為代表的雙面凹凸式超高壓高溫裝置。

        1963年12月,中國合成出國內第1顆鉆石,拉開了中國鉆石工業生產的序幕。1971年9月,“全國人造金剛石會議”召開前,當時國家領導人曾多次指示,“必須把這項重要戰略物質立足于國內,現在花幾千萬美元從資本主義國家進口,人家不給怎么辦?”如今,中國人造鉆石不僅可以滿足國內需求,而且從80年代后期開始出口國外。截止2013年,中國鉆石出口國家地區62個,出口量達23.3億克拉,出口額1.35億美元。

       合成壓機是人造鉆石的核心設備,其要創造一個高溫(大于1400℃)、高壓(大于5GPa)的合成腔體,依照碳元素平衡相圖,在這個腔體內,使碳原子形成穩定的鉆石晶體。國外常用單軸向壓力機,通稱為兩面頂壓機。中國則用互成90°的三軸向壓力機,也就是六面頂壓機。中國從1965年設計制造了這種六面頂壓機,迄今整個行業幾乎全部采用六面頂壓機,成為中國特色。近些年,國外業界知名公司逆轉對中國六面頂壓機的負面看法,批量采購,引進中國的方法生產鉆石,不得不說這也是一個中國制造的成功案例。

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Belt兩面頂壓力機


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六面頂壓機

       目前商用的高溫高壓低成本的鉆石制造方法難以生產1mm以上的寶石級別的鉆石,GE公司早期開發的高溫高壓溫差法仍然是唯一的一種有效方法。1970年蘇聯學者在實驗室嘗試在低溫低壓條件下制備鉆石,實現了鉆石合成技術的二次飛躍。通常使用的化學氣相沉積法生長出來的鉆石膜(CVD)具有與單晶鉆石幾乎相同的性能。但是這種方法有一個問題就是生長速度太慢。

       說到這里不得不提到一位著名的華人科學家毛河光(Ho-Kwang Mao)。他是世界高溫高壓研究領域的頂尖人物,世界杰出高壓科學家,其中一項重要成就便是利用高壓解決了“鉆石快速長大”的科學難題。毛河光1959年考入臺灣大學地質系,1967年獲得美國羅切斯特大學博士學位,1968年進入卡內基地球物理實驗室,1979年受聘為吉林大學名譽教授,1993年當選美國科學院院士,1996年當選中科院外籍院士,2002年被聘為吉林大學高壓科學與技術中心主任,2005年被聘為吉林大學教授,2012年入選“千人計劃”中的頂尖人才與創新團隊項目,組建北京高壓科學研究中心并擔任主任。2017年8月10日,中國東北岫巖隕石坑中發現的天然高溫高壓鐵鎂氧化新礦物被國際新礦物(IMA)命名與分類委員會批準命名為“Maohokite”,中文名:毛河光礦。毛河光在科研方面成就卓越,發表論文900多篇,其中Science期刊44篇,Nature期刊19篇,PNAS期刊63篇,PRL期刊63篇,通過谷歌學術查閱到毛河光目前被引用超過5萬次,H指數120。


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毛河光院士

       毛河光1988年在250Gpa以上超高壓下進行氫的金屬化研究,觀察到氫變成黑色后不透明,同時有拉曼光譜增強的現象。后來毛河光使用化學氣相法來“養”鉆石,把天然鉆石與從牛糞產生的沼氣中提煉的高純度甲烷,在加上氫氣、氮氣的輔助,在微波爐中利用高壓的方法,讓甲烷中的碳分子不斷累積到天然鉆石的表面上,一個小時可以生長300微米。隨著技術的進步,在2005年,毛河光制成了一顆10克拉無色透明的CVD鉆石,一下轟動國際學界和寶石界。我國的金剛石壓腔(DAC)超高壓研究工作,就是在毛河光的指導下從無到有、從小到大發展起來的。他在70年代就開始和國內合作,傳授技術和理論、實驗方法,在他的幫助下,我國在地幔礦物學、高壓物理、高壓相變等方面的研究工作在國際上開始占有一席之地。鑒于毛河光的貢獻,1996年被聘為中科院外籍院士,2002年中國政府授予他“國家友誼獎”,被媒體稱為“可敬的海外赤子”。

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2017年德國奧格斯堡大學實驗室合成的92mm的人造鉆石

       合成鉆石的技術一直在發展,2017年,德國奧格斯堡大學的研究人員歷時26年,利用化學氣相沉積的方法,在只有十分之一大氣壓的低壓環境下,研究出來超大鉆石的培養方法。這顆單晶鉆石的直徑有92mm,甚至比英國女王權杖上的“庫利南1號”的直徑還要大。雖然這個大鉆石和天然鉆石無論是純潔度還是閃光性都有所差距,但隨著技術的發展,或許不久的未來科學家們可以合成出來比天然鉆石更純潔的超大鉆石。

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