金剛石行業(yè)巨頭為何重點(diǎn)發(fā)展這種金剛石！
鉆石恒久遠(yuǎn)一顆永流傳在這個(gè)七夕你耳邊是否又回響起了這句經(jīng)典的廣告詞鉆石（金剛石）的價(jià)值自然不菲無論是商業(yè)價(jià)值還是在高精尖領(lǐng)域的應(yīng)用無不詮釋其背后的意義近年來大單晶金剛石越來越成為行業(yè)巨頭競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)其目的自然是提高附加值搶先攻占高端領(lǐng)域今天小編就帶各位聊一聊大單晶金剛石為何貴的如此有意義
大單晶VS寶石級(jí)
金剛石≠鉆石
人類對(duì)金剛石的追求確切來說應(yīng)該從鉆石說起很多人都以為金剛石就是鉆石其實(shí)這是不準(zhǔn)確的鉆石是指經(jīng)過琢磨的金剛石簡(jiǎn)單理解金剛石是素顏照而鉆石是美顏照或上妝照
素顏VS美顏
寶石是珍貴的石頭是指那種經(jīng)過琢磨和拋光后可以達(dá)到珠寶要求的石料或礦物裝嵌一般來說寶石包含鉆石水晶祖母綠紅寶石藍(lán)寶石和金綠寶石甚至是琥珀珍珠珊瑚煤精和象牙都可以納入寶石范疇
金剛石按照粒度和質(zhì)量分為寶石級(jí)金剛石（也可理解為鉆石級(jí)金剛石）鉆頭級(jí)金剛石磨料級(jí)金剛石寶石級(jí)金剛石gemdiamond可用做工藝品和裝飾用的金剛石單晶這種金剛石單晶需要有很大的粒度和較高的質(zhì)量簡(jiǎn)單來說是大尺寸和高品相
那大單晶和寶石級(jí)到底有什么區(qū)別呢
其實(shí)兩者有千絲萬縷的關(guān)系簡(jiǎn)單來說大單晶金剛石是從材料行業(yè)的角度命名的而寶石級(jí)金剛石則是從其商業(yè)應(yīng)用方面命名的兩者的標(biāo)準(zhǔn)雖然有很多相近之處但依然有差異后者的還有其他要求
既然兩者都對(duì)尺寸提出了要求那究竟多大的尺寸才稱得上大單晶和寶石級(jí)呢?
購(gòu)買鉆石時(shí)我們通常聽到的是克拉這是一個(gè)質(zhì)量（重量）單位規(guī)定1克拉等于0.2克或200毫克克拉又分為100分如50分即0.5克拉一般情況下1克拉的鉆石長(zhǎng)寬尺寸約為6.5mm厚度約為1.5mm（金剛石的密度約為3.5g/cm3）大單晶對(duì)尺寸的要求不是十分明確一般一克拉對(duì)應(yīng)的尺寸就足以稱得上是大單晶了而寶石級(jí)金剛石是指金剛石尺寸大于1mm的金剛石單晶
然而很多時(shí)候大家也經(jīng)常提到寶石級(jí)大單晶金剛石從這里來看大單晶和寶石級(jí)其實(shí)差別很模糊基本上是一回事
為什么要發(fā)展大單晶金剛石
大單晶金剛石自然是金剛石中的高級(jí)貨重點(diǎn)發(fā)展這種大單晶金剛石究竟有什么意義呢主要是其高的商業(yè)價(jià)值和在高精尖領(lǐng)域的高附加值簡(jiǎn)單來說這些領(lǐng)域能產(chǎn)生更多的收益
目前人工合成的高品級(jí)大單晶金剛石在性能上已經(jīng)接近或在某些這方面超越了天然金剛石單晶由于天然金剛石比較稀少故人工合成的金剛石單晶已經(jīng)逐步地代替天然金剛石被廣泛應(yīng)用于工業(yè)科技國(guó)防醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域當(dāng)然這類金剛石還具備其獨(dú)特的用途尤其是它可以作為單晶金剛石刀具刀坯的最佳選擇材料
先看一下不同尺寸的單晶金剛石的用途吧具體如下
尺寸
用途
1~3mm
單晶拉絲模單晶刀具等產(chǎn)品
4~5mm
高檔首飾上的寶石
6~10mm
更高檔的首飾高檔手術(shù)刀高集成度電子芯片基底以及軍事航天等領(lǐng)域
金剛石拉絲模
單晶金剛石刀具
人造鉆石戒指
其實(shí)從表中不難看出單晶金剛石的尺寸越大質(zhì)量越高其在高精尖領(lǐng)域的應(yīng)用就越多價(jià)值也就更大主要應(yīng)用如下
精密切削
金剛石作為一種切削材料主要是利用它的超硬特性以及它所兼?zhèn)涞母邿醾鲗?dǎo)率高耐磨性化學(xué)穩(wěn)定性低膨脹率和它與被切削材料之間的低摩擦系數(shù)據(jù)說智能手機(jī)的外殼就是用CVD大單晶金剛石做成的超精密銑刀切出來的具體應(yīng)用如下表所示
應(yīng)用類型
應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
應(yīng)用領(lǐng)域
精密或超精密車刀
單晶金剛石內(nèi)部無晶界刀具刃口理論上可以加工出原子尺寸級(jí)的平直度和鋒利度通過刀具的超光潔表面和無缺陷副切削刃的作用使加工的表面粗糙度理論值接近于零來獲得鏡面加工效果
精密或超精密機(jī)械加工領(lǐng)域原子核反應(yīng)堆及精密光學(xué)儀器的反射鏡計(jì)算機(jī)硬盤導(dǎo)彈或太空飛行器的導(dǎo)航陀螺和加速器電子槍等超精密鏡面零件也可以用來加工復(fù)印機(jī)滾筒隱形眼鏡等日常辦公或生活用品
銑刀
小巧精細(xì)可實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工加工想效率高高壽命
加工光學(xué)元件醫(yī)用刀片以及微型
機(jī)床零件上的三維曲線槽特別是加工成形隨意曲率的超細(xì)槽此外還可以用于微距鏡組的精加工等
切刀手術(shù)刀
精密精細(xì)精準(zhǔn)切割
制作厚度只有幾十納米的生物組織超薄切片以便使用透射電子顯微鏡進(jìn)行觀察高端手術(shù)刀進(jìn)行眼睛和大腦等精密手術(shù)還可以切割光纖
與CVD或PCD刀具換用
更高的加工效率
替代CVD或PCD刀具的加工領(lǐng)域
拉絲模
增加拉絲模綜合性能提高工作效率
制造高精度金屬絲材等
光學(xué)材料
除部分近紅外金剛石具有從X射線到微波整個(gè)波段高的透過率兼?zhèn)涓哂捕?span id="eglzj6u" class="myIcon">高熱導(dǎo)率高化學(xué)穩(wěn)定性和低膨脹系數(shù)是一種優(yōu)異的光學(xué)材料
具體介紹
儀器窗口
用人造Ⅱa型金剛石做成的窗口已經(jīng)用于快速傅立葉變換紅外光譜分析耐酸耐堿和耐溶劑可擴(kuò)大分析樣品的種類用兩片金剛石晶片可以做成可加壓的紅外窗口加壓壓強(qiáng)達(dá)到100MPa擴(kuò)大了分析樣品的硬度范圍用單晶金剛石可以做成紅外攝像系統(tǒng)的窗口具有特別的軍事用途
激光器窗口
大單晶金剛石還能做成大功率激光器的窗口激光透過率高耐高溫和耐熱震使得激光器的輸出功率得到大幅度的提高
鏡頭
可在嚴(yán)苛的條件下進(jìn)行正常工作
金剛石對(duì)頂砧
打磨成光亮型的大單晶金剛石做成金剛石對(duì)頂砧與激光加熱拉曼光譜以及X光衍射等手段聯(lián)合使用可以用來研究極端高溫高壓條件下的材料物性是地質(zhì)學(xué)和行星科學(xué)的基本研究手段
半導(dǎo)體及電子器件
金剛石具有寬的帶隙以及強(qiáng)固的sp3化學(xué)鍵能將碳原子牢固地鎖定在晶格上不易受撞擊而離位金剛石可制成在宇航飛船和原子能反應(yīng)堆等強(qiáng)輻射環(huán)境中正常工作的耐輻射器件
CVD金剛石膜的主要應(yīng)用
此外金剛石具有高的電子空穴遷移率高的擊穿電壓高的熱傳導(dǎo)率摻雜可半導(dǎo)體化是一種很有希望的高溫半導(dǎo)體材料以碳化硅（SiC）氮化鎵（GaN）氧化鋅（ZnO）金剛石氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料是第三代半導(dǎo)體材料具有發(fā)光效率高頻率高等特點(diǎn)在發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器等方面有重要應(yīng)用而金剛石禁帶寬度大5.5eV明顯高于其他第三代半導(dǎo)體集力學(xué)電學(xué)熱學(xué)聲學(xué)光學(xué)耐蝕等優(yōu)異性能于一身是目前最有發(fā)展前途的半導(dǎo)體材料
盡管金剛石半導(dǎo)體蘊(yùn)藏著巨大的潛力但真正制成金剛石半導(dǎo)體還面臨著巨大挑戰(zhàn)歐洲和日本已經(jīng)投入大量資金來開發(fā)金剛石半導(dǎo)體其中國(guó)際巨頭元素6一直在探究金剛石在高純度半導(dǎo)體元器件方面的應(yīng)用
珠寶首飾
人造金剛石在物理上和化學(xué)上是百分之百的金剛石人造大單晶金剛石現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到與天然金剛石相媲美甚至比天然金剛石還要完美的程度以至于珠寶專家僅憑肉眼或是借助低倍放大鏡已經(jīng)無法區(qū)別除了能合成黃色和無色的金剛石之外還能夠合成天然金剛石中極為稀少的藍(lán)色和粉色金剛石
藍(lán)色金剛石
合成方法
大單晶金剛石的合成方法主要有兩種即高溫高壓法（HPHT法）和化學(xué)氣相沉積法（CVD法）
CVD法合成單晶金剛石與金剛石多晶膜技術(shù)上有很大不同單晶金剛石合成需要使用有特殊要求的優(yōu)質(zhì)單晶金剛石作為基板即此方法對(duì)使用的晶種有特殊要求其一晶種必須為純{100}面組成的單晶金剛石其二晶種必須具有一定的尺寸原則上晶種有多大才能生長(zhǎng)出多大的單晶這就在一定程度上限制了其產(chǎn)業(yè)化目前元素6基本代表了行業(yè)里的頂級(jí)水平
高溫高壓法（HPHT法）合成金剛石大單晶的方法實(shí)際上是溫度梯度法這種方法想相對(duì)比較成熟但也存在一定的局限性HPHT金剛石的粒度純度可加工性成形性以及物理化學(xué)性質(zhì)的可調(diào)性等都遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)特別是軍工與高端科技發(fā)展之需在不考慮成本單純考慮技術(shù)的情況下HPHT金剛石的尺寸可以接近10mm但如果要做到更大尺寸設(shè)備將很難滿足要求主要是能提供超高壓強(qiáng)和溫度的材料技術(shù)及工藝還達(dá)不到要求另外工藝過程難控周期長(zhǎng)再現(xiàn)率差成本高所得材料有極高的硬度極難加工成所需形狀HPHT金剛石難于形成較大面積薄膜或片狀物理化學(xué)性質(zhì)也難于調(diào)節(jié)從而限制了其應(yīng)用范圍
兩種方法具體對(duì)比如下
對(duì)比
HPHT法
CVD法
技術(shù)細(xì)分
靜壓法為主
熱絲法直流毫弧等離子體法
射頻等離子體法微波等離子體法等
涉及設(shè)備
兩面頂四面頂六面頂和分割球高壓裝置等
專用CVD設(shè)備
技術(shù)優(yōu)勢(shì)
5mm以下大單晶技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)
純度較高尺寸大可以多顆同時(shí)生長(zhǎng)
技術(shù)缺點(diǎn)
產(chǎn)品易含有雜質(zhì)易產(chǎn)生缺陷生長(zhǎng)周期長(zhǎng)工藝過程難控周期長(zhǎng)再現(xiàn)率差
需要高質(zhì)量的大單晶晶片做晶種設(shè)備昂貴
產(chǎn)品特點(diǎn)
硬度高加工難度高不容易形成大面積片狀
容易生長(zhǎng)成大尺寸可超過15mm
發(fā)展壁壘
大體積頂錘和壓缸壽命過短
襯底選擇預(yù)處理生長(zhǎng)設(shè)備及工藝生長(zhǎng)后熱處理生長(zhǎng)層與襯底分離等一系技術(shù)環(huán)節(jié)需要精準(zhǔn)優(yōu)化和控制晶種尺寸嚴(yán)重影響成品大小
發(fā)展方向
增大高壓裝置的腔體體積
尋找高質(zhì)量大尺寸晶種兼顧高速生長(zhǎng)和大面積沉積
大單晶金剛石的主要生產(chǎn)企業(yè)（排名不分先后）
國(guó)際
1元素6
主要技術(shù)CVD法和HPHT法
2住友電氣工業(yè)株式會(huì)社
主要技術(shù)HPHT法
3Gemesis公司
4Apollo Diamond（阿波羅金剛石公司）
主要技術(shù)CVD法
5D. NEAChatham人造金剛石
6New Age Diamonds（新世紀(jì)金剛石）
7Tairus
國(guó)內(nèi)
1河南黃河旋風(fēng)股份有限公司
2中南鉆石公司有限公司
3鄭州華晶金剛石股份有限公司
4寧波晶鉆工業(yè)科技有限公司
