不断发展的金刚石合成与应用技术2.docx

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不断发展的金刚石合成与应用技术2

不断发展的金刚石合成与应用技术

在人类的历史长河中，金刚石一直是一种稀有的宝石，象征高贵、美丽、圣洁、，被皇室、宫廷和贵族作为瑰宝炫耀和珍藏。

人们构筑了神奇美丽的故事，从满了对他的画像和无比的爱慕。

世界上没有完人，散在物质世界，上帝却赐给人类一个美好的梦幻组合，-----金刚石。

因此，吸引了众多科学工作者的极大兴趣，并对其进行了不懈的探索。

后来，在实验室里终于发现，它是碳原子构成的，由此揭开了他神秘的面纱，打开了人们人工制造的闸门，经过近百年的艰苦探索，1954年美国通用电气公司宣告了在高温高压的条件下第一粒人造金刚石的研制成功，开始了工业生产金刚石的新纪元。

随着金刚石物性研究的深入，发现金刚石不仅硬度远超过其他所有的物质，更有许多其他的“第一”，包括抗压强度、散热速率、传声速率、电流阻抗、防蚀能力~~~~~~等等。

除此之外，金刚石的透光性、低热胀率、负阴电性，乃至与人体相溶度也是材料之最，因此可以认为，金刚石是上帝给人类的恩赐，它不仅是美丽宝石之王，更是材料之王，没有任何材料具有金刚石这么多的优越性质，其中有许多极端性质。

例如，金刚石的硬度是碳化硅的3倍，耐磨性是氧化铝的5倍，抗压强度是碳化钨的20倍，传声速率是刚的3倍，传热率是银的4倍，电洞移动速率是硅的2.5倍。

金刚石还具有极高的电阻率、折射率、抗辐射性，极低的热膨胀系数、磨擦系数、比热值等，金刚石发挥个别特性已能产生其他材料所不能及的效果。

例如，以金刚石作为硅晶的散热片式，其超高的热传导率可使热量尽快排出；其高透光性也使热能辐射散出；其低的比热值可减少热能的积聚。

金刚石作为飞弹的雷达罩时，不仅雷达波进出自如，使映像不致失真，其耐磨性更可避免比子弹飞行还快的灰尘或雨点的冲蚀。

他的高热振性也可保护雷达罩在骤冷骤热时不会破裂等。

由于有这么多的优点，因此，工业金刚石具有广泛的用途，如下页图所示：

航太产品

散热面

雷达罩

电子产品

光学产品

消费产品

喇叭振动膜

生医产品

反射镜

超级磨料

工业金刚石

扩孔器

滚轮

修刀

绳锯

排锯

带锯

锯片

金刚石的这些传奇应用并不是天方夜谭，各种金刚石产品已经应用于广泛的领域，更多的金刚石应用也真在开发中，毫无疑问，金刚石将成为工业、商业、军事、教育、娱乐及医学领域的宠儿。

当金刚石产品普及后，人类的物质文明就会更上一层楼，乃至达到巅峰，进入“永恒的金刚石时代”，正因为如此，更加激励科学工作者对其合成与应用技术及性更为广泛、更为深入的探索。

笔者根据近半个世纪金刚石合成技术的发展所经历的三次大的飞跃，作为以下重点介绍。

1954年，揭开了人工合成金刚石发展的序幕，这是人造金刚石合成技术发展的第一次大的飞跃，它是静态高压高温技术发展的重大成果。

世界人造金刚石工业经过近50年的发展，不仅产量上，而且在某些性能（如抗冲击人性、耐磨性、抗磨均匀性及导热性、透光性等）已超过天然金刚石。

当今静态高温高压溶媒法合成的金刚石品种已经形成一个完整的体系，1992年工业级单晶金刚石重达38.40克拉，并推出了SDA2000高强度系列、SDAD中强度系列和粒径1mm以上的MONOCRYSTAL单晶钻石系列，包括MONODIE拉丝模系列、MONODITE刀具胚料系列，代表了当今世界人造金刚石单晶工业化生产的最高水平。

化学气相沉积（CVD）金刚石膜的问世，则是人工合成金刚石技术的第二次大飞跃。

众所周知，早在20世纪50年代和60年代，美国、苏联等国的科学家就已先后在低压下实现了金刚石多晶膜的化学气相沉积，虽然当时其沉积速率非常之低，但无疑是奠基性的创举。

1987年“金刚石薄膜”在世界上兴起，国外文献发表在文献上的生长金刚石薄膜的方法有几十种之多，但归纳起来有两大类，即CVD和PVD（物理气相沉积法），前者使用的真空度不高，但温度较高；后者则反之。

进入20世纪80年代以来，膜的生长速率、沉积面积和结构性质已逐步达到可应用的程度。

研究证实，高质量的CVD金刚石多晶膜的硬度、导热、密度、弹性（以杨氏模量表证）和透光物理性已达到或接近天然金刚石，这就为其应用提供了技术基础。

例如，天然及高压高温合成的金刚石均为分散相，呈颗粒状，大多数功能特性无法实现应用。

而金刚石膜具有与单晶金刚石几乎相同的性能，但它是连续性材料，从而解决了尺寸问题。

1992年著名的北卡罗来纳州立大学（NCSU）材料科学和工程系教授J.T.Glass详细描述金刚石膜的主要性能和他们的相关应用，指出未来CVD金刚石发展前景。

它的极高声速能制作频率响应最高，在未来卫星通讯和移动电话中极有前景的声表面波器件，以及频响可达到60KHz以上的高音扬声器及声传感器。

它的高绝缘电阻与众多半导体材料有较好匹配的热膨胀系数，可以高功率密度电子器件，如大功率半导体器件、微波器件和大规模集成电路最好的散热片，由于未来的高速电脑已遇散热瓶颈，因此使用金刚石散热势在必行。

金刚石的终极用途为自身成为半导体的IC。

这样不仅散热无虞，运转速率更能跳三级，远远超过目前的硅晶片。

从X-射线——紫外光——可见光——红外光直至微波波段的高透过性可用作在恶劣环境中使用的光学窗口，如各种光制导的导弹头罩，特别是高马赫数（M>4.5）导弹头罩和多色红外探测器窗口；它的卓越的透X-光特性可成为未来微电子光器件制备的亚微米级光刻技术的理想材料；它的冷阴极发光特性已有可能获得多种色彩多能耗的显示屏；高温金刚石半导体器件工作温度可达到600℃，而现有的硅器件为150℃，最好的砷化镓的工作温度不超过250℃，金刚石半导体器件的问世将是电子技术的一场革命等等。

来自国际资源开发公司（InternationalResourceDevelInc.）研究报告的统计数字表明，1998年金刚石膜产品将达到25亿美元，并以几乎两年增长一倍的极快速度走向市场，金刚石膜工具、热学和光学应用在整个市场中的比例达到80%以上。

金刚石膜在军事光学中的应用也不容忽视。

有关专家预计2010年~2020年金刚石膜直接产品的市场将超过100亿美元，相当于目前高温高压合成金刚石产品的几倍。

具有纳米尺寸晶粒的金刚石膜，金刚石结构含量95%以上，目前ARGONNE（ArgonneNationalLaboratory）实验室可以做到几至十几纳米的晶粒尺寸，表面光洁度达到Ra10nm，厚度超过数十微米。

微波等离子体技术是纳米金刚石合成的最有效技术。

总之，随着金刚石膜的气相合成、物性研究及应用研究的进一步开展，可望在不远的将来，金刚石膜作为新型的光学材料、半导体材料、光电子学材料和机械加工的涂层材料在许多领域中得到广泛的应用。

1987年俄罗斯的科学工作者，在实验室利用负氧平衡炸药中的碳率先爆轰合成出纳米金刚石，或称之为超分散金刚石（UltradisperseddiamondUDD），或超微金刚石（Ultrafinediamond）实现了金刚石合成技术的第三次飞跃。

1988年美国和苏联同时报道了纳米金刚石研制成功的信息，美国洛斯·阿拉莫斯国家研究实验室（LosAlamosNationalLaboratory），苏联科学院西伯利亚分院流体物理研究所，他们都是世界知名的从事炸药爆炸研究工作的单位。

1993年中科院兰州化学物理研究所用爆轰法也得到了纳米金刚石，从而拉来了我国爆轰法合成金刚石的序幕，随后，北京理工大学、中国工程物理研究所流体物理研究所等也开展了这方面的研究工作。

1998年在乌兰克超硬材料研究所召开了纳米金刚石技术研讨会，与会的主要单位有：

超硬材料研究所、俄罗斯PΦЯц‐вНИИФСκТЪ,“电化学仪器”联合体，白俄罗斯НПО“СИнта”与克兰“АЛИт”和“ЮгКοнвеρса”企业，以及乌兰可工业大学——КЛИ等，会议讨论一下议题：

——金刚石爆轰合成工艺

——合成产物的化学纯净和金刚石粉末的制备工艺

——以纳米金刚石为基的多晶体

——纳米金刚石粉末及其构成材料的应用

指出，纳米金刚石属于纳米材料，世界上许多发达国家的科学工作者都在致力于它的制造、物性测试和应用问题的研究，它是出于材料科学、固体物理和化学的边缘学科，是近年来世界各国投资增长速度最快的研究项目。

目前俄罗斯、白俄罗斯和乌克兰等国炸药爆炸合成纳米金刚石产量约2000万克拉，日本产量不到1000万克拉，美国产量不详，但已有商品规模的生产，所有这些表明，纳米金刚石已初步实现规模化生产。

为推动纳米金刚石爆轰法合成技术的进一步发展，探讨其产业化以及扩大应用领域，不断开发出社会所需要的新材料，实现材料科学和材料的可持续性发展，我们在浙江省科委、科协和杭州高发磨料磨具集团公司的支持下，邀请了中科院兰州化学物理研究所、甘肃省化工研究所、第二炮兵工程学院、中国运载火箭技术研究院、浙江大学、北京理工学院、北京人工晶体研究所、郑州磨料磨具研究所、西北核技术研究所等单位的专家、教授就纳米金刚石的发展进行了探讨。

浙江省科学技术协会副主任项浙学教授认为，在新的技术群中，材料科学不仅是其中的重要组成部分，而且是重要的基础，材料的发展直接影响到信息技术、生物技术、航天技术、海洋技术的发展，我们所要讨论的纳米技术和纳米材料，它的技术关联度大，产业链长，面对这样一个课题，大家在一起研讨，对我们高技术及其产业化具有非常重要的意义。

希望通过这次研讨会能有助于纳米金刚石的研究开发、生产和应用，让知识在企业、大学、研究所和政府部门之间流动起来。

笔者认为，这是一次高效率的、高知识层次的、内容非常丰富、代表我国现阶段纳米金刚石科研生产和应用的最新水平的研讨会，专家、教授们就纳米金刚石爆轰合成技术、应用技术以及它的发展前景作了全面论述。

我想用一下几乎话来概括：

爆轰炸药合成技术日趋成熟，产业化条件基本具备，应用初见成效，领域有待扩大，潜在市场很大，发展前景诱人，技术难点不少，攻关任务很重。

2001年我国甘肃凌云纳米材料有限公司、深圳市金刚源新材料发展有限公司和四川久远纳米材料有限公司都建起了纳米金刚石生产线，这些生产线的建成无疑有利于物性研究和应用开发的展开，这里需要指出的是，纳米金刚石产业化的进程，在很大程度上取决于应用的力度，就是说纳米金刚石能否推向市场的关键是应用，材料是基础，应用是动力，没有应用就没有市场，没有市场就不会有发展，那么纳米金刚石到底有哪些应用，或者说有哪些市场。

笔者从近年来所收集到的资料来看，纳米金刚石的应用领域很大，且前景诱人，关于它的应用问题，将拟专门文章做较系统、详细的论述。

材料的物性是材料应用的基础，纳米材料所表现出来的奇特物理化学特性为人们设计新产品及传统产品的改造提供了新的机遇，充满生机的21世纪信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求。

材料的小型化、智能化、元件的高度集成、高密度存储和超快传输等为纳米材料的应用提供了广阔的应用空间，作为纳米科技的重要组成部分的纳米材料，其中包括纳米金刚石问世十多年来，它对应用领域的影响比人们的预想要大得多。

纳米金刚石不仅具有前述那么多的综合优异性能，而且还与其纳米材料一样拥有小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，从而具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性。

近年来，国内外的研究者对纳米金刚石的物性进行了较广泛的研究，并发表了不少有关这方面的文章。

这些研究成果将对人们深入了解纳米金刚石的特性及其应用的开发有着指导作用。

总之，金刚石合成技术经过三次大的飞跃，使得金刚石合成技术日趋全面、更趋完整，合成产品品种系列化、多样化和专用化，应用领域将越来越宽，对工业技术创新的贡献越来越大，理论研究内容更加丰富、更加深刻……，所有这些充分显示金刚石的科学研究事业，潜在应用前景，像金刚石一样绚丽多彩。

王光祖、汪静、陶刚著

2002年第三期《超硬材料与宝石》珠宝科技特刊