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郑州华晶金刚石股份有限公司

人造钻石的秘密

关键词 钻石 , 压机 , 磨具|2018-11-29 10:31:47|来源 中国超硬材料网
摘要 钻石不仅仅可以加工成价值连城的珠宝,在工业中也大有作为。它硬度高、耐磨性好,可广泛应用于切削、制造树脂或陶瓷结合剂磨具,可制造地质钻探钻头,半导体及非金属材料切割工具;由于导热率高...

       钻石不仅仅可以加工成价值连城的珠宝,在工业中也大有作为。它硬度高、耐磨性好,可广泛应用于切削、制造树脂或陶瓷结合剂磨具,可制造地质钻探钻头,半导体及非金属材料切割工具;由于导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板;它有优良的透光性和耐腐蚀性,在电子工业中也有重要的用途。可以毫不夸张的说,一个国家不重视发展工业钻石,那么国防现代化、工业现代化和科学技术现代化就无从谈起;然而天然钻石的产量太低,只有依靠人工制造才能满足工业需求。

       相对于世界上产量较高的国家,我国的天然钻石资源比较贫乏,产量仅为全球的0.1%,国家工业用钻石99%以上依赖国产合成钻石。目前,中国人造合成钻石的产量已经超过世界总产量的90%。但是国产人造钻石量大价低,在高端市场不占优势。

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中国人造金刚石产量

       20世纪50年代的第一颗人造钻石的诞生,为人工合成钻石的科研、生产、应用打开了闸门,这主要得益于高温高压技术的发展。超高压高温装置的研制成功实现了人工合成钻石的美好愿望。这里需要提及的是美国著名的高压研究者 P.W.Bridgman 在超高压技术方面的研究所做出的杰出贡献 ,并为这门技术奠定了基础。以美国通用电器公司H.T.Hall为首的实验小组,根据P.W.Bridgman的大质量支撑原理所设计的 Belt 两面顶装置 ,并解决了用金属催化剂来实现石墨直接转变为钻石的关键技术。为后来人造钻石的发展作出了开创性的贡献。Hall在1954年12月16日第一次实现了商用人造钻石的制造,他的突破主要是使用了一个Belt两面顶压力机,可以产生10GPa的高压和2000℃的高温。这个压力机使用叶腊石作为容器,石墨溶解在熔融镍、铁、或者钴之中。这些金属充当熔融催化剂,既溶解碳,又加速其转化为钻石。虽然当时制造的钻石直径只有0.15毫米,作为珠宝而言太小了,视觉上也没有什么冲击,但是仍然可以作为工业研磨使用。他的同事后来重复了他的工作,并把结果发表在Nature期刊上。

       目前超高压高温装置的种类很多,但是,世界上钻石生产的超高压装置大致有三种类型:以GE公司和De Beers公司为代表的年轮式超高压高温装置、以中国为代表的镀链式六面顶超高压高温装置、以前苏联为代表的双面凹凸式超高压高温装置。

        1963年12月,中国合成出国内第1颗钻石,拉开了中国钻石工业生产的序幕。1971年9月,“全国人造金刚石会议”召开前,当时国家领导人曾多次指示,“必须把这项重要战略物质立足于国内,现在花几千万美元从资本主义国家进口,人家不给怎么办?”如今,中国人造钻石不仅可以满足国内需求,而且从80年代后期开始出口国外。截止2013年,中国钻石出口国家地区62个,出口量达23.3亿克拉,出口额1.35亿美元。

       合成压机是人造钻石的核心设备,其要创造一个高温(大于1400℃)、高压(大于5GPa)的合成腔体,依照碳元素平衡相图,在这个腔体内,使碳原子形成稳定的钻石晶体。国外常用单轴向压力机,通称为两面顶压机。中国则用互成90°的三轴向压力机,也就是六面顶压机。中国从1965年设计制造了这种六面顶压机,迄今整个行业几乎全部采用六面顶压机,成为中国特色。近些年,国外业界知名公司逆转对中国六面顶压机的负面看法,批量采购,引进中国的方法生产钻石,不得不说这也是一个中国制造的成功案例。

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Belt两面顶压力机


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六面顶压机

       目前商用的高温高压低成本的钻石制造方法难以生产1mm以上的宝石级别的钻石,GE公司早期开发的高温高压温差法仍然是唯一的一种有效方法。1970年苏联学者在实验室尝试在低温低压条件下制备钻石,实现了钻石合成技术的二次飞跃。通常使用的化学气相沉积法生长出来的钻石膜(CVD)具有与单晶钻石几乎相同的性能。但是这种方法有一个问题就是生长速度太慢。

       说到这里不得不提到一位著名的华人科学家毛河光(Ho-Kwang Mao)。他是世界高温高压研究领域的顶尖人物,世界杰出高压科学家,其中一项重要成就便是利用高压解决了“钻石快速长大”的科学难题。毛河光1959年考入台湾大学地质系,1967年获得美国罗切斯特大学博士学位,1968年进入卡内基地球物理实验室,1979年受聘为吉林大学名誉教授,1993年当选美国科学院院士,1996年当选中科院外籍院士,2002年被聘为吉林大学高压科学与技术中心主任,2005年被聘为吉林大学教授,2012年入选“千人计划”中的顶尖人才与创新团队项目,组建北京高压科学研究中心并担任主任。2017年8月10日,中国东北岫岩陨石坑中发现的天然高温高压铁镁氧化新矿物被国际新矿物(IMA)命名与分类委员会批准命名为“Maohokite”,中文名:毛河光矿。毛河光在科研方面成就卓越,发表论文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,通过谷歌学术查阅到毛河光目前被引用超过5万次,H指数120。


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毛河光院士

       毛河光1988年在250Gpa以上超高压下进行氢的金属化研究,观察到氢变成黑色后不透明,同时有拉曼光谱增强的现象。后来毛河光使用化学气相法来“养”钻石,把天然钻石与从牛粪产生的沼气中提炼的高纯度甲烷,在加上氢气、氮气的辅助,在微波炉中利用高压的方法,让甲烷中的碳分子不断累积到天然钻石的表面上,一个小时可以生长300微米。随着技术的进步,在2005年,毛河光制成了一颗10克拉无色透明的CVD钻石,一下轰动国际学界和宝石界。我国的金刚石压腔(DAC)超高压研究工作,就是在毛河光的指导下从无到有、从小到大发展起来的。他在70年代就开始和国内合作,传授技术和理论、实验方法,在他的帮助下,我国在地幔矿物学、高压物理、高压相变等方面的研究工作在国际上开始占有一席之地。鉴于毛河光的贡献,1996年被聘为中科院外籍院士,2002年中国政府授予他“国家友谊奖”,被媒体称为“可敬的海外赤子”。

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2017年德国奥格斯堡大学实验室合成的92mm的人造钻石

       合成钻石的技术一直在发展,2017年,德国奥格斯堡大学的研究人员历时26年,利用化学气相沉积的方法,在只有十分之一大气压的低压环境下,研究出来超大钻石的培养方法。这颗单晶钻石的直径有92mm,甚至比英国女王权杖上的“库利南1号”的直径还要大。虽然这个大钻石和天然钻石无论是纯洁度还是闪光性都有所差距,但随着技术的发展,或许不久的未来科学家们可以合成出来比天然钻石更纯洁的超大钻石。

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