林峰,蔣燕麟,蘇鈺,程煜

(中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林 541004)

國外超硬材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

林峰,蔣燕麟,蘇鈺,程煜

(中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林 541004)

文章概述了國外超硬材料發(fā)展?fàn)顩r。重點(diǎn)介紹了國外超硬材料發(fā)展態(tài)勢,并對國外超硬材料制品新技術(shù)進(jìn)行了歸納,對超硬材料新應(yīng)用進(jìn)行了分析,以期為國內(nèi)超硬材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有益的參考。

超硬材料;新技術(shù);發(fā)展趨勢;新應(yīng)用

0 前言

18世紀(jì)末,人們發(fā)現(xiàn)身價(jià)高貴的金剛石竟然是碳的一種同素異形體,從此,制備人造金剛石就成為許多科學(xué)家的光榮與夢想。一個(gè)世紀(jì)以后,石墨——碳的另一種單質(zhì)形式被發(fā)現(xiàn)了,人們便嘗試模擬自然過程,讓石墨在超高溫高壓的環(huán)境下轉(zhuǎn)變成金剛石。

1955年,美國通用電氣公司專門制造了高溫高壓靜電設(shè)備,得到世界上第一批工業(yè)用人造金剛石小晶體,從而開創(chuàng)了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)人造金剛石磨料的先河。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,無論在制造技術(shù)上還是在應(yīng)用上,在人造金剛石領(lǐng)域,國外發(fā)達(dá)國家都居于領(lǐng)先地位,

1 國外超硬材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

1.1 全球超硬材料及制品市場狀況[1]

(1)全球人造金剛石市場

2011年,全球人造金剛石產(chǎn)量120.9億克拉, 2012年,全球人造金剛石產(chǎn)量134.8億克拉,2013年,全球人造金剛石產(chǎn)量達(dá)163.6億克拉。全球90%的人造金剛石都是中國企業(yè)生產(chǎn)的。

表1 2011-2013年全球人造金剛石產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)Table 1 2011-2013 global artificial diamond production statistics

(2)全球復(fù)合超硬材料市場

美國DI公司(原GE公司)能用2～2.5萬噸的二面頂壓機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量比較穩(wěn)定的100mm直徑大型金剛石復(fù)合片。美國其他金剛石復(fù)合片多數(shù)也能做到60～70mm。而我國大多數(shù)應(yīng)用的復(fù)合片在30～35mm,企業(yè)研制的最大復(fù)合片直徑只有52mm,品質(zhì)也不如國外。

2011年,全球復(fù)合超硬材料市場規(guī)模448.7億元, 2012年,全球復(fù)合超硬材料市場規(guī)模495.2億元,2013年,全球復(fù)合超硬材料市場規(guī)模550.4億元。

表2 2011-2013年全球復(fù)合超硬材料市場規(guī)模Table 2 2011-2013 global market scale for composite superhard materials

全球石油PCD復(fù)合片市場中,根據(jù)歷年來的數(shù)據(jù),我國石油產(chǎn)量約占全球產(chǎn)量的5%,按照石油產(chǎn)量和石油鉆頭需求量呈正比的關(guān)系和5%的增速計(jì)算,每年全球石油用復(fù)合片的市場規(guī)模約80～100億元。

在礦山開采方面,復(fù)合片鉆頭市場容量2006年達(dá)到150億美元,2010年達(dá)到182億美元(約1200億元人民幣)。按照復(fù)合片占鉆頭成本的30%和鉆頭行業(yè)38%的工業(yè)毛利率計(jì)算,扣除全球石油開采市場對復(fù)合片約80～100億美元的需求量外,2012全球范圍內(nèi)礦山開采市場對復(fù)合片的需求量已超過130億美元。

(3)全球超硬材料工具市場

金剛石鋸片是消耗金剛石最多的金剛石工具,也是需求量最大的金剛石工具之一。廣泛應(yīng)用于石材、玻璃、陶瓷、晶體、寶石、鑄鐵等材料的加工以及房屋、道路、橋梁等工程施工中。

金剛石鋸切類產(chǎn)品除了金剛石鋸片外,金剛石繩鋸、金剛石線鋸的發(fā)展前景也較為廣闊。金剛石繩鋸作為一種典型的柔性切割工具,廣泛地應(yīng)用于石材礦山開采、異形板加工等。目前,我國金剛石繩鋸的應(yīng)用還沒有得到很好的拓展,市場空間偏小。而用于硅片切割和LED藍(lán)寶石襯底切割的微米金剛石線,市場空間巨大。

其他的金剛石鉆進(jìn)類工具包括金剛石薄壁鉆頭等,廣泛應(yīng)用于混凝土、鋼筋混凝土、石料、耐火材料、陶瓷等非金屬硬脆材料取芯或鉆孔工作,最常見的如空調(diào)安裝時(shí)的鉆孔。金剛石工程薄壁鉆頭國外市場容量已達(dá)到85億元,其中激光焊接鉆頭占75%以上。目前,國外激光焊接鉆頭生產(chǎn)商主要有韓國及歐美一些發(fā)達(dá)國家。

圖1 世界范圍金剛石工具的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)Fig.1 The worldwide product structure of diamond tools

(4)主要生產(chǎn)企業(yè)

目前,全球復(fù)合超硬材料制造行業(yè)的中高端產(chǎn)品主要由美日等國的企業(yè)壟斷,大部分中高端市場份額由DI公司、元素六公司、美國合成、日本住友、韓國日進(jìn)等國際領(lǐng)先的大型集團(tuán)公司所控制。

1.2 國外超硬材料及制品技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

國外超硬材料制品的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)金剛石與工具的鍍覆技術(shù)大幅度提高和完善工具性能

金剛石鍍覆的優(yōu)越性在于鍍覆能與金剛石形成化學(xué)鍵合,并與周圍胎體形成化學(xué)/冶金結(jié)合而提高金剛石的把持力。在鋸片刀頭使用過程中,能使金剛石的脫落率大為降低,在相同壽命情況下,使鋸切效率提高50%。此外鍍覆還可保護(hù)金剛石,完善其使用性能。鍍覆可保護(hù)金剛石表面,防止胎體中石墨化形成的元素如鐵、鎳、鈷的浸蝕作用,并可防止金剛石氧化,提高其熱穩(wěn)定性,還可強(qiáng)化金剛石性能。金剛石經(jīng)過不同的金屬鍍覆,在金剛石表面會(huì)形成各種不同的碳化物而產(chǎn)生新的化學(xué)鍵合,這提高了金剛石的把持力,與胎體金屬則形成化學(xué)/冶金結(jié)合,增加了金剛石/胎體之間的結(jié)合強(qiáng)度,并能抵抗對金剛石的氧化與石墨化,最終提高金剛石工具的使用效率與壽命。

表3 全球超硬材料主要生產(chǎn)商Table 3 The main superhard materials manufacturers worldwide

近年來采用CVD、PVD、PACVD等工藝將金剛石、立方氫化硼、Ti N、cBN、TiAl N-cBN沉積在碳化鎢硬質(zhì)合金工具上,提高了高速切削工具的效率及使用壽命和表面光潔度,降低了汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)加工成本并給這些產(chǎn)業(yè)帶來了巨大效益。

(2)金剛石均勻有序排列技術(shù)顯著提高鋸切效率與壽命

在常規(guī)金剛石工具中,金剛石在金屬胎體中是隨機(jī)分布/無序排列的,因此金剛石在刀頭中容易產(chǎn)生偏析與聚集。在金剛石富集區(qū),金剛石不能有效利用而浪費(fèi),且由于此區(qū)金剛石濃度高,金剛石密集,金剛石鋸切力小,易于拋光與磨損,同時(shí)易于賭塞與阻礙巖屑有效排除,致使鋸切效率下降。在金剛石稀少區(qū),由于承受大的負(fù)荷,沖擊力大,金剛石易于碎裂與脫落。因此金剛石隨機(jī)分布/無序排列常常導(dǎo)致降低鋸切效率與縮短工具壽命的惡性循環(huán)。2005年韓國新韓公司實(shí)現(xiàn)了鉆石陣,將其產(chǎn)業(yè)化,推出ARIX技術(shù),均勻/有序排列金剛石的鋸片使用效果很好,其鋸切效率和鋸切壽命均得到大幅度提高。

(3)柔性金剛石工具制造技術(shù)進(jìn)步

國外金剛石繩鋸的應(yīng)用已近30年,由于其技術(shù)的不斷創(chuàng)新,其應(yīng)用的范圍也越來越廣。近10年來的發(fā)展具有以下特點(diǎn):①串珠與繩鋸生產(chǎn)設(shè)備系列化與自動(dòng)化。德國Dr.Fritsch(飛羽)公司經(jīng)過幾年的開發(fā),推出一整套串珠與繩鋸生產(chǎn)專用設(shè)備;②針對不同使用條件生產(chǎn)串珠專用金屬粉末。德國Dr. Fritsch(飛羽)公司粉末事業(yè)部為串珠生產(chǎn)能提供各種專用粉末;③采用熱等靜壓(HIP-Hot Isostatic-Pressing)法提高串珠致密化程度及其性能。采用熱等靜壓的優(yōu)點(diǎn)是:從微觀結(jié)構(gòu)上看,串珠具有很高的化學(xué)-物理均勻性;串珠金剛石胎體層無孔隙或很少孔隙,密度提高;提高了胎體對金剛石的把持力;較低的燒結(jié)溫度與時(shí)間,有利于防止晶粒長大和金剛石表面石墨化,特別是采用Co、Fe、Ni金屬胎體時(shí)有其優(yōu)越性;④采用金剛石注射成形技術(shù),生產(chǎn)雙凸肩幾何形狀串珠,改善了串珠性能;⑤適應(yīng)建筑工程需要,研制小型繩鋸機(jī),針對建筑工程特點(diǎn),繩鋸應(yīng)用不斷創(chuàng)新;⑥小直徑繩鋸及組鋸繩鋸機(jī)的成功開發(fā)。

(4)金剛石與cBN單層釬焊技術(shù)的發(fā)展

與單層電鍍工藝相比,采用金剛石與c BN單層釬焊工藝,金剛石與cBN顆粒凸出高(72%對45%),因此切深大、容屑好、排屑與冷卻良好、鋸切磨削效率高,它可實(shí)施金剛石與cBN規(guī)則有序排列,因此可更好地控制加工件的表面粗糙度、平面度與表面質(zhì)量。若將金剛石與c BN相適應(yīng)的鍍覆工藝相結(jié)合,可進(jìn)一步提高其把持力,改善對磨料的保護(hù)作用,有利于提高其壽命與效益。

1.3 國外超硬材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢

(1)隨著世界上工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展,超硬材料工業(yè)在世界范圍內(nèi)受少數(shù)國家(公司)壟斷的時(shí)代已經(jīng)過去,生產(chǎn)布局向多極化方向發(fā)展。

(2)由于超硬材料在各工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用,超硬材料市場的總體需求穩(wěn)定增長,市場價(jià)格穩(wěn)中有降,用于加工非金屬材料和建筑材料的工業(yè)金剛石所占比重將繼續(xù)增大。

(3)根據(jù)各工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求制定的產(chǎn)品系列以及專用產(chǎn)品系列,規(guī)格品種進(jìn)一步完善。

(4)以精密、超精密、高效率、長壽命以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用為特點(diǎn)的金剛石工具正逐步形成系列。金剛石工具的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)研究和產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化工作發(fā)展迅速。一些小型金剛石工具(如小規(guī)格金剛石切割片、金剛石電鍍修整工具等)已進(jìn)入家庭。

(5)高技術(shù)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),工業(yè)用單晶大顆粒和納米級超細(xì)微粉產(chǎn)品開始進(jìn)入市場。采用單晶大顆粒人造金剛石制成單晶鉆石工具在工業(yè)上得到成功應(yīng)用。

(6)低壓氣相沉積(CVD)技術(shù)取得重大進(jìn)展,金剛石薄膜作為新型結(jié)構(gòu)材料和功能材料進(jìn)入市場。充分顯示出人造金剛石新應(yīng)用領(lǐng)域的廣闊發(fā)展前景。

(7)靜壓法及金剛石壓機(jī)仍是當(dāng)今生產(chǎn)超硬材料最主要的裝備,不同類型的合成設(shè)備各有所長,壓機(jī)大型化是超硬材料工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。國外也在逐步地引進(jìn)中國的大壓機(jī)。

(8)動(dòng)態(tài)法合成金剛石已形成工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模,新的合成方法(如液相外延、激光法等)將引起人們的普遍關(guān)注。

2 國外超硬材料及制品應(yīng)用領(lǐng)域的拓展

中國是世界人造金剛石和立方氮化硼的最大生產(chǎn)國,然而在高端超硬材料及制品的研究開發(fā)和應(yīng)用上卻落后國外發(fā)達(dá)國家。國外,尤其以德國、美國、日本、韓國等國家為主,在超硬材料的開發(fā)應(yīng)用上處于世界領(lǐng)先,其應(yīng)用遍布各個(gè)領(lǐng)域。

2.1 傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

(1)研磨和拋光

人造金剛石和立方氮化硼材料在研磨和拋光領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。研磨是指使用磨料以特定方式磨去工件表面的材料,從而加工出精確的形狀,并達(dá)到合乎要求的表面質(zhì)量。研磨加工通常需要使用將磨粒與陶瓷、樹脂或金屬結(jié)合劑固著在一起制成的砂輪,是機(jī)械、汽車、玻璃工業(yè)或行業(yè)精密加工和建筑業(yè)頂級研磨和拋光工具的關(guān)鍵組成部分,圖2為金剛石磨片用于石材的打磨、拋光。

圖2 金剛石磨片用于石材打磨、拋光Fig.2 Diamond grinding disk for grinding and polishing

(2)地質(zhì)勘察、采礦和隧道挖掘

國外發(fā)達(dá)國家在地質(zhì)勘察、天然巖石和礦石的采掘、運(yùn)送和加工時(shí),工具面臨極端嚴(yán)酷的磨損環(huán)境?，F(xiàn)已大量使用超硬材料工具替代傳統(tǒng)工具,這樣可極大提高鉆探速率和延長工具工作壽命,從而實(shí)現(xiàn)卓越的性能和生產(chǎn)力。

人造金剛石磨料已用作勘探和爆破鉆孔的工作介質(zhì),用以穿透最堅(jiān)硬的地層。PCD(聚晶金剛石)、PDC(聚晶金剛石復(fù)合片)可鑲嵌在鉆頭和截齒上,用作大型切割或撞擊/沖擊表面,以實(shí)現(xiàn)更高鉆進(jìn)速率和更長使用壽命,其價(jià)值在偏遠(yuǎn)地域作業(yè)時(shí)更加凸顯。對于巖層過于堅(jiān)硬,PCD、PDC切削齒不能有效鉆探的場合,則使用孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭來解決問題。針對不同的地質(zhì)條件,科技人員設(shè)計(jì)制作了各種系列的鉆頭樣式、耐磨件和釬片,用于硬巖采礦和軟巖采礦。

(3)石油和天然氣開采

目前,開采地球現(xiàn)存能源的難度越來越高,而能源的可持續(xù)供應(yīng)至關(guān)重要,必須開發(fā)種類齊全的工具材料來滿足石油和天然氣行業(yè)鉆探需求。油氣勘采領(lǐng)域?qū)ぞ卟牧细翘岢隽撕芨咭?包括極高耐磨性、高負(fù)荷、高工作溫度以及耐受侵蝕和腐蝕性外部環(huán)境。使用聚晶金剛石(PCD)、聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)可以提供更快更持續(xù)的鉆井,減少鉆井時(shí)間,并將昂貴的停工期最小化,PDC由頂層的聚晶金剛石與硬質(zhì)合金襯底在高壓高溫條件下燒結(jié)而成,金剛石層能控制磨損并保持刃口鋒利,而硬質(zhì)合金襯底可增強(qiáng)產(chǎn)品韌性,且方便與鉆頭基體相連接。這種層結(jié)合方式使PDC保持一貫的高鉆進(jìn)性能,可以通過使用最新的材料技術(shù)和優(yōu)化的工程設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用場合最優(yōu)的鉆進(jìn)性能。

圖3 金剛石工具用于采礦和隧道挖掘Fig.3 Diamond tools used for mining and tunneling

圖4 金剛石工具用于石油和天然氣鉆探Fig.4 Diamond tools used for petroleum and natural gas drilling

(4)石材開采、加工和建筑工程施工

國外發(fā)達(dá)國家甚至一些發(fā)展中國家出于節(jié)能、降耗、環(huán)保和保護(hù)資源、減低生產(chǎn)成本方面的考慮,已在石材開采、加工和建筑工程施工等領(lǐng)域全面推廣使用超硬材料工具,人造金剛石微粉、聚晶金剛石(PCD)為鋸切、切割、研磨、拋光、地基鉆探、挖溝、隔墻切割、隧道挖掘和土壤加固提供最佳性能。使用大直徑金剛石鋸片、金剛石繩鋸進(jìn)行礦山開采,實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)黑火藥爆破開采石材出材率提高3倍的效果,由30%提高到了90%,同時(shí)有效扼制了黑火藥爆破帶來的資源破壞、浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境污染、破壞及安全問題。使用大直徑金剛石鋸片、金剛石繩鋸進(jìn)行石材板材切割,實(shí)現(xiàn)了高速、高效率和壽命長的綠色環(huán)保施工。高品質(zhì)金剛石工具用于路面、機(jī)場跑道和其它瀝青和混凝土中定量清除瀝青或混凝土層的冷刨和打磨,不但使其達(dá)到一定的深度或橫向坡度,而且銑刨機(jī)將瀝青切下,可直接將其裝到貨車上,并帶走供回收利用,這種材料后來被重新用來鋪設(shè)新的路面,這種全新的路面基礎(chǔ)設(shè)施恢復(fù)方式既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。金剛石薄壁鉆頭已普遍用于混凝土鉆孔以進(jìn)行公用設(shè)施電纜的鋪設(shè)施工,此外,金剛石工具在地基鉆探,混凝土路面開槽、挖溝,隔墻切割,隧道挖掘和土壤加固等苛刻的地面施工中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

(1)航空工業(yè)

①航空零部件的切削、銑削、鉆孔和研磨。

超硬材料被應(yīng)用在航空零部件及系統(tǒng)的精密切削、銑削、鉆孔和研磨加工領(lǐng)域,滿足了航空航天工業(yè)因引進(jìn)難加工材料(如復(fù)合材料和高強(qiáng)度金屬)而不斷變化的新需求?？梢蕴岣咔懈钏俣燃斑\(yùn)營生產(chǎn)率,工具壽命比傳統(tǒng)的工具材料高幾個(gè)數(shù)量級。

圖5 金剛石工具用于石材板材切割、瀝青或混凝土層的冷刨和鉆孔、取芯Fig.5 Diamond tools for stone cutting,asphalt or concrete layer cold planning and drilling and coring

圖6 金剛石工具用于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件制造Fig.6 Diamond tools for manufacturing of parts and components of carbon fiber reinforced composite material

圖7 立方氮化硼材料用于研磨渦輪葉根Fig.7 Cubic boron nitride material for turbine blade roots manufacturing

②碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)和鈦合金的鉆孔、銑削和車削

在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件制造,以及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(通常與鈦合金連接)零部件銑削、鉆孔方面,人造單晶金剛石和PCD(聚晶金剛石)鉆頭和刨槽工具可以大幅延長工具壽命,為除極小部件之外的應(yīng)用領(lǐng)域提供最佳解決方案。用PCD車削和銑削鈦合金,切割速度、壽命是其它工具材料的幾倍。航空工業(yè)中使用的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件與鈦合金部件連接在一起形成的所謂“疊層”極難加工。PCD是加工“疊層”組件的唯一選擇。

③航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件研磨

cBN(立方氮化硼)材料用于研磨渦輪葉根以及加工發(fā)動(dòng)機(jī)罩的精確間隙。相對于傳統(tǒng)磨料,cBN可在較寬的溫度范圍內(nèi)保持較高的硬度和鋒利度,其耐磨性比最常見的傳統(tǒng)氧化鋁磨料高兩個(gè)數(shù)量級,從而使外形精度維持得更久,并大幅度提高研磨效率。

④高溫合金車削

Pc BN(聚晶立方氮化硼)材料被越來越多地用于鎳基高溫合金盤件和軸的半精加工,在鎳基和鈷基高溫合金的精加工方面,與涂層及無涂層硬質(zhì)合金工具相比,Pc BN工具能夠可靠地實(shí)現(xiàn)300米/分鐘或更高的加工速度,實(shí)現(xiàn)更長的工具壽命,使生產(chǎn)率提高6倍,并提高表面質(zhì)量。

(2)汽車工業(yè)

超硬材料已被大量用于汽車行業(yè)的精密加工領(lǐng)域。每個(gè)汽車零部件都需要穩(wěn)定、精密的生產(chǎn)工藝,以滿足最終的可靠性需求,超硬材料可滿足鏜孔、銑削、機(jī)械加工、開槽、鉸孔、研磨、車削和珩磨等應(yīng)用場合的極端性能需求,可用在汽車制造的整套流程中,從合金輪轂、缸體、凸輪和曲軸套管加工到變速箱銑削、鉆孔和鉸孔。如在汽車覆蓋件生產(chǎn)中,它們可用于加工臨界發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱部件、中介軸、車輪和剎車盤裝配、車窗以及模具等。與傳統(tǒng)的工具材料相比,超硬材料可以幫助發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)工廠實(shí)現(xiàn)更可靠的切削和研磨工藝,提高切削和磨削速度、延長工具壽命、降低總運(yùn)營成本并提高操作效率。

圖9 超硬材料工具用于汽車合金輪轂、缸體、凸輪和曲軸套等零部件加工Fig.9 Superhard material tools for processing of car parts such as alloy wheel,cylinder block,cam and crankshaft sleeve

(3)電子、通訊行業(yè)

超硬材料已廣泛于電子行業(yè)。人造金剛石單晶應(yīng)用范圍包括熱管理、半導(dǎo)體、傳感器、電子元器件、醫(yī)療輻射測量儀、高能物理研究用安全系統(tǒng)探測器、輻射探測器和紅外傳感系統(tǒng)。主要通過其先進(jìn)的單晶CVD(化學(xué)氣相沉積)金剛石材料服務(wù)電子行業(yè)。人造金剛石單晶有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和電絕緣性能,是一種寬帶隙半導(dǎo)體,可以支持高電場而不被擊穿。國外某實(shí)驗(yàn)室公司已經(jīng)開發(fā)并率先商業(yè)化提供由氮化鎵(Ga N,世界上最強(qiáng)大的半導(dǎo)體材料)和人造金剛石(導(dǎo)熱率最高的材料)通過原子級結(jié)合構(gòu)成的復(fù)合型半導(dǎo)體晶片。這一組合可以為通信和雷達(dá)領(lǐng)域提供更高功率和更高頻率的電子器件,也可針對鐵路、混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車、太陽能和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域提供體積更小、更節(jié)能的電源轉(zhuǎn)換/傳輸產(chǎn)品。此外,該實(shí)驗(yàn)室公司目前與一家商業(yè)伙伴合作開發(fā)高性能、高效節(jié)能的金剛石上氮化鎵基LED。

圖10 超硬材料工具用于電子行業(yè)Fig.10 Superhard material tools used in electronic industry

(4)激光與光學(xué)

人造金剛石將一系列優(yōu)異的光學(xué)、導(dǎo)熱、輻射硬度性能完美結(jié)合在一起,使其成為富有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用領(lǐng)域的首選材料。在所有已知材料中,人造金剛石的光譜波段最寬,可實(shí)現(xiàn)從紫外線到遠(yuǎn)紅外及毫米波微波的理想透過率,再加上其高硬度、高導(dǎo)熱性和化學(xué)惰性,人造金剛石成為許多工業(yè)、研發(fā)和國防光學(xué)應(yīng)用中的理想窗口材料。

人造金剛石光學(xué)材料主要應(yīng)用在激光光學(xué)元件、紅外光譜儀和無線電射頻(RF)光學(xué)元件上。人造金剛石相關(guān)材料及制品已應(yīng)用于激光和光學(xué)行業(yè)。人造單晶金剛石和多晶CVD(化學(xué)氣相沉積)金剛石是高功率CO2激光器、碟片激光器和固態(tài)激光器的核心組成部分,可以確保持久穩(wěn)定地發(fā)出高光學(xué)質(zhì)量的激光束。人造金剛石單晶和多晶CVD金剛石已在分子光譜領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,人造金剛石衰減全反射棱鏡用于FTIR(傅氏轉(zhuǎn)換紅外光譜分析儀),可提供強(qiáng)大功能的支持,并促使這一通用技術(shù)產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化。人造金剛石用于ATR(拉曼激光器),其極端特性可令激光功率提高兩個(gè)數(shù)量級以上。

人造金剛石已應(yīng)用于紅外光譜學(xué)領(lǐng)域,包括ATR(衰減全反射)棱鏡、安裝夾具或探針上的ATR棱鏡、斜面窗和半球形鏡片。紅外光譜學(xué)領(lǐng)域不僅利用了人造金剛石在較長紅外波長的透光性,還運(yùn)用了它優(yōu)異的化學(xué)惰性及機(jī)械強(qiáng)度。由人造金剛石光學(xué)元件制成的樣品座即使在最惡劣的環(huán)境下和磨損度最高的作業(yè)方式下,依舊能保持原樣,其光學(xué)元件不會(huì)因化學(xué)侵蝕或惡劣的機(jī)械作業(yè)而受到損壞,并且信號質(zhì)量可以一直保持穩(wěn)定。以上這些特性都有助于開發(fā)強(qiáng)大的FTIR(傅立葉變換紅外)光譜儀,即使在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境外,它也能發(fā)揮其優(yōu)異的性能。

人造金剛石可用于RF光學(xué)元件,包括高功率陀螺儀的出射窗(安裝和未安裝)和光束線窗口的出射窗。人造金剛石在開發(fā)可持續(xù)能源系統(tǒng)(如核聚變)中也發(fā)揮著舉足輕重的作用。人造金剛石在RF頻率范圍的低吸收特性及其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度有助于建成兩兆瓦的回旋管,用于加熱聚變反應(yīng)堆的等離子體(在托卡馬克裝置中)。光束線窗口有助于降低高能輻射從發(fā)射源(回旋管)到靶材(等離子體)傳輸過程中的損耗。

HPHT(高溫高壓)IIa板狀人造金剛石可用于制造X射線單色儀。大型的第三和第四代光源設(shè)備(同步加速器和自由電子激光器)是采用極高能量、亮度和/或極高脈動(dòng)密度電子束的超級顯微鏡,用以研究從新型納米結(jié)構(gòu)到生物分子和龐大沸石等一系列材料的結(jié)構(gòu)。光束線發(fā)射極高能量的X射線,因此需要有散熱極快且不會(huì)因?yàn)楦呙芏壬渚€照射而損壞或變形的光學(xué)窗口及一系列其它部件,如光束分離器、相位板、單色儀板、波動(dòng)器和濾波器等。人造金剛石具有優(yōu)異的熱學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能及極高的回復(fù)性,因此它在嚴(yán)苛的應(yīng)用場合中表現(xiàn)遠(yuǎn)勝過其它晶體材料。IIA型高溫高壓人造金剛石被視為同步加速器光學(xué)元件的人造金剛石頂級材料選擇,原因在于其具有極高導(dǎo)熱性,且內(nèi)部含有極少可導(dǎo)致晶格扭曲的缺陷和雜質(zhì)。

(5)其他應(yīng)用

除上述領(lǐng)域外,超硬材料在國外其他領(lǐng)域也得到拓展應(yīng)用:人造金剛石已成為一系列量子應(yīng)用(安全量子通信、量子計(jì)算和磁/電場感應(yīng))的候選材料;聚晶金剛石軸承摩擦系數(shù)低,極為堅(jiān)硬,非常適用于在惡劣的環(huán)境中工作的;聚晶金剛石(PCD)推力和徑向軸承摩擦系數(shù)非常低,具有高導(dǎo)熱性,高斷裂韌性和極高硬度,可以在高負(fù)荷、高溫,甚至最具侵蝕性和腐蝕性的場合實(shí)現(xiàn)獨(dú)一無二的高性能作業(yè),如潮汐技術(shù)和在最惡劣環(huán)境中運(yùn)作的風(fēng)力渦輪機(jī);人造金剛石電極可用于處理各種常規(guī)手段很難或無法處理的工業(yè)廢水和填埋場瀝出物,有效實(shí)現(xiàn)廢水處理;人造金剛石可以實(shí)現(xiàn)臭氧的大規(guī)模生產(chǎn),臭氧是強(qiáng)大的消毒劑,幾乎可以殺死所有已知的病原體;人造金剛石的所有極端特性,特別是它的硬度、耐磨性和化學(xué)惰性,都可以應(yīng)用在傳感器上,與其它任何傳感器相比,人造金剛石的性能使其對水中更廣范圍的雜質(zhì)更敏感,人造金剛石有望成為污染物探測器的首選,用于各種應(yīng)用環(huán)境中可能會(huì)危害健康的污染物探測。

人造金剛石的許多極端特性,如導(dǎo)熱性、化學(xué)惰性和半導(dǎo)體特性,提供了極為廣泛的應(yīng)用潛力。除了耐磨應(yīng)用外,國外正專注于研究電力、環(huán)境和生命科學(xué)應(yīng)用,不斷探索超硬材料新用途,并繼續(xù)占據(jù)超硬材料技術(shù)領(lǐng)先地位。

3 結(jié)束語

盡管國外超硬材料產(chǎn)量不如中國,但其憑借技術(shù)優(yōu)勢,少量產(chǎn)品主要占據(jù)高端領(lǐng)域,而且在超硬材料及制品的應(yīng)用上引領(lǐng)著行業(yè)的潮流。國內(nèi)還需在技術(shù)上進(jìn)行努力創(chuàng)新,在超硬材料的制備技術(shù)、檢測技術(shù)、評價(jià)體系的研究上投入更多的力量,突破我國超硬材料行業(yè)大而不強(qiáng)的局面,占據(jù)世界高端市場,最終實(shí)現(xiàn)超硬材料強(qiáng)國的目標(biāo)。

[1] 中國超硬材料市場調(diào)查與投資前景預(yù)測報(bào)告(2014版).云商網(wǎng),2015,2.

[2] 中國材料研究學(xué)會(huì).2014年中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

Development Trend of Superhard Material Industry in Foreign Countries

LIN Feng,JIANG Yan-lin,SU Yu,CHENG Yu
(China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd,Guangxi Key Laboratory of superhard material,National Engineering Research Center for Special Mineral Material,Guilin,Guangxi,China541004)

This article summarizes the development status of superhard materials in foreign countries.It mainly introduces the development trend of superhard materials abroad and summarizes the new technique of the foreign superhard material products.The new application of the superhard materials has also been analysed in order to provide a reference for the development of domestic superhard material industry.

Superhard material,new technology,development trend,new application

TQ164

A

1673-1433(2015)01-0031-08

2015-01-30

林峰(1963-),教授級高級工程師,現(xiàn)任國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心副主任,長期從事超硬材料及制品的研發(fā)工作。

林峰,蔣燕麟,蘇鈺,等.國外超硬材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢[J].超硬材料工程,2015,27(1):31-38.