金剛石行業巨頭為何重點發展這種金剛石！
鉆石恒久遠一顆永流傳在這個七夕你耳邊是否又回響起了這句經典的廣告詞鉆石（金剛石）的價值自然不菲無論是商業價值還是在高精尖領域的應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巨頭競相發展的重點其目的自然是提高附加值搶先攻占高端領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
金剛石≠鉆石
人類對金剛石的追求確切來說應該從鉆石說起很多人都以為金剛石就是鉆石其實這是不準確的鉆石是指經過琢磨的金剛石簡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過琢磨和拋光后可以達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量分為寶石級金剛石（也可理解為鉆石級金剛石）鉆頭級金剛石磨料級金剛石寶石級金剛石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量簡單來說是大尺寸和高品相
那大單晶和寶石級到底有什么區別呢
其實兩者有千絲萬縷的關系簡單來說大單晶金剛石是從材料行業的角度命名的而寶石級金剛石則是從其商業應用方面命名的兩者的標準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呢?
購買鉆石時我們通常聽到的是克拉這是一個質量（重量）單位規定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）大單晶對尺寸的要求不是十分明確一般一克拉對應的尺寸就足以稱得上是大單晶了而寶石級金剛石是指金剛石尺寸大于1mm的金剛石單晶
然而很多時候大家也經常提到寶石級大單晶金剛石從這里來看大單晶和寶石級其實差別很模糊基本上是一回事
為什么要發展大單晶金剛石
大單晶金剛石自然是金剛石中的高級貨重點發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價值和在高精尖領域的高附加值簡單來說這些領域能產生更多的收益
目前人工合成的高品級大單晶金剛石在性能上已經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逐步地代替天然金剛石被廣泛應用于工業科技國防醫療衛生等領域當然這類金剛石還具備其獨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品
4~5mm
高檔首飾上的寶石
6~10mm
更高檔的首飾高檔手術刀高集成度電子芯片基底以及軍事航天等領域
金剛石拉絲模
單晶金剛石刀具
人造鉆石戒指
其實從表中不難看出單晶金剛石的尺寸越大質量越高其在高精尖領域的應用就越多價值也就更大主要應用如下
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備的高熱傳導率高耐磨性化學穩定性低膨脹率和它與被切削材料之間的低摩擦系數據說智能手機的外殼就是用CVD大單晶金剛石做成的超精密銑刀切出來的具體應用如下表所示
應用類型
應用優勢
應用領域
精密或超精密車刀
單晶金剛石內部無晶界刀具刃口理論上可以加工出原子尺寸級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
精密或超精密機械加工領域原子核反應堆及精密光學儀器的反射鏡計算機硬盤導彈或太空飛行器的導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印機滾筒隱形眼鏡等日常辦公或生活用品
銑刀
小巧精細可實現精細加工加工想效率高高壽命
加工光學元件醫用刀片以及微型
機床零件上的三維曲線槽特別是加工成形隨意曲率的超細槽此外還可以用于微距鏡組的精加工等
切刀手術刀
精密精細精準切割
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行觀察高端手術刀進行眼睛和大腦等精密手術還可以切割光纖
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
光學材料
除部分近紅外金剛石具有從X射線到微波整個波段高的透過率兼備高硬度高熱導率高化學穩定性和低膨脹系數是一種優異的光學材料
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達到100MPa擴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
可在嚴苛的條件下進行正常工作
金剛石對頂砧
打磨成光亮型的大單晶金剛石做成金剛石對頂砧與激光加熱拉曼光譜以及X光衍射等手段聯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學和行星科學的基本研究手段
半導體及電子器件
金剛石具有寬的帶隙以及強固的sp3化學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堆等強輻射環境中正常工作的耐輻射器件
CVD金剛石膜的主要應用
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率摻雜可半導體化是一種很有希望的高溫半導體材料以碳化硅（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體材料是第三代半導體材料具有發光效率高頻率高等特點在發光二極管半導體激光器等方面有重要應用而金剛石禁帶寬度大5.5eV明顯高于其他第三代半導體集力學電學熱學聲學光學耐蝕等優異性能于一身是目前最有發展前途的半導體材料
盡管金剛石半導體蘊藏著巨大的潛力但真正制成金剛石半導體還面臨著巨大挑戰歐洲和日本已經投入大量資金來開發金剛石半導體其中國際巨頭元素6一直在探究金剛石在高純度半導體元器件方面的應用
珠寶首飾
人造金剛石在物理上和化學上是百分之百的金剛石人造大單晶金剛石現在已經達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無法區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色和粉色金剛石
藍色金剛石
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上有很大不同單晶金剛石合成需要使用有特殊要求的優質單晶金剛石作為基板即此方法對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出多大的單晶這就在一定程度上限制了其產業化目前元素6基本代表了行業里的頂級水平
高溫高壓法（HPHT法）合成金剛石大單晶的方法實際上是溫度梯度法這種方法想相對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性質的可調性等都遠不能滿足現代工業特別是軍工與高端科技發展之需在不考慮成本單純考慮技術的情況下HPHT金剛石的尺寸可以接近10mm但如果要做到更大尺寸設備將很難滿足要求主要是能提供超高壓強和溫度的材料技術及工藝還達不到要求另外工藝過程難控周期長再現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性質也難于調節從而限制了其應用范圍
兩種方法具體對比如下
對比
HPHT法
CVD法
技術細分
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
涉及設備
兩面頂四面頂六面頂和分割球高壓裝置等
專用CVD設備
技術優勢
5mm以下大單晶技術已經相當成熟可以實現批量化生產
純度較高尺寸大可以多顆同時生長
技術缺點
產品易含有雜質易產生缺陷生長周期長工藝過程難控周期長再現率差
需要高質量的大單晶晶片做晶種設備昂貴
產品特點
硬度高加工難度高不容易形成大面積片狀
容易生長成大尺寸可超過15mm
發展壁壘
大體積頂錘和壓缸壽命過短
襯底選擇預處理生長設備及工藝生長后熱處理生長層與襯底分離等一系技術環節需要精準優化和控制晶種尺寸嚴重影響成品大小
發展方向
增大高壓裝置的腔體體積
尋找高質量大尺寸晶種兼顧高速生長和大面積沉積
大單晶金剛石的主要生產企業（排名不分先后）
國際
1元素6
主要技術CVD法和HPHT法
2住友電氣工業株式會社
主要技術HPHT法
3Gemesis公司
4Apollo Diamond（阿波羅金剛石公司）
主要技術CVD法
5D. NEAChatham人造金剛石
6New Age Diamonds（新世紀金剛石）
7Tairus
國內
1河南黃河旋風股份有限公司
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寧波晶鉆工業科技有限公司
