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  • 解析:大颗粒钻石的开发和应用

    点击数:1966 次 发表时间:2012-12-28 文章分类:[首饰]

    [导语]金刚石极高的硬度早在古代就为人们所认识,然而在相当长的一个时期里,人们仅把开采的天然金刚石当作“宝石”,主要用来制作高级装饰品。

      佐卡伊为大家解析:大颗粒钻石的开发和应用,如下:

      一、大颗粒工业金刚石特性及用途

      金刚石极高的硬度早在古代就为人们所认识,然而在相当长的一个时期里,人们仅把开采的天然金刚石当作“宝石”,主要用来制作高级装饰品。人类最早利用天然金刚石制作金刚石刀具,是利用天然金刚石自然棱角做切削刀刃进行切割加工的,如玻璃刻刀,珠宝、玉石雕刻刀等。

      随着钻石首饰研磨抛光技术的发展,经人工精磨带有切削刃的天然金刚石刀具应运而生,经过精细研磨,其刃口半径可达0.01-0.002μm。但天然金刚石较脆,其结晶各向异性,不同晶面或同一晶面不同方向的晶体硬度均有差异,在进行刃磨和使用时必须选择合适的方向。

      二次世界大战期间,为了满足军事装备的精密切削加工的需要,以及二战后为满足手表精密零件,装饰件和首饰雕花等加工需要,天然金刚石刀具应用市场逐渐发展起来。

      二十世纪七十年代,现代尖端科学技术领域的许多产品,如用于航空工业的陀螺仪、激光器中的金属反射镜,雷达的波导管内腔,激光打印机中的多面棱镜,录像机磁头、复印机硒鼓、计算机磁盘基片以及太空望远镜中的大型反射镜等,都要求得到超光滑的加工表面和高的加工精度。在现实需求的推动下,在已有的金刚石车削技术基础上,天然金刚石刀具超精密镜面切削技术得到迅速发展,天然金刚石超精密刀具应用市场迅速扩大,天然金刚石需求量也随之迅速增加。然而,迄今为止,目前世界上天然金刚石的年产量约1亿克拉左右,而其中适于制作切削刀具必须是大颗粒(质量大于0.2ct,最小径长不小于1.5mm)。因此适合制作切削刀具的天然金刚石占年产量的比例非常小,约占3-4%。这严重地影响了天然金刚石刀具应用领域的扩充。

      由于聚晶金刚石复合片就是作为金刚石大单晶的替代品而被研制出的,因此聚晶金刚石复合片所涉及的应用领域均能用金刚石大单晶代替,而且其加工精度要高于聚晶金刚石复合片。在市场调研中了解到,由于大单晶作为刀具使用时其成本明显高于同尺寸的聚晶金刚石复合片刀具,因此目前二者并存于刀具市场。

      天然金刚石资源的不可再生性,决定了其数量是越来越少,价格越来越贵。在产品性能方面,人造金刚石与天然金刚石在晶体构造上完全相同而在纯度上接近或超过天然金刚石,所以人造金刚石在性能上也接近或超过天然金刚石。采用单晶大颗粒人造金刚石制成单件钻石工具在工业上得到成功应用,表明人造金刚石在工业上全面取代天然金刚石的时代已经到来。

      在市场调研中与吉林大学超硬材料重点试验室的有关专家接触后取得了样品,通过与运城力天世纪刀具有限公司技术人员的接触,他们对提供的样品尺寸、内部包裹体含量等基本满意,并希望将其加工成刀具进行进一步的性能测试。

      二、大颗粒工业金刚石的市场前景

      目前,金刚石行业竞争残酷。自2004年,压机吨位迅速扩大、数量剧增,目前已超过5000台。合成腔体从过去最大的φ28mm扩大到φ40mm以上,金刚石单产从过去的30克拉增加到100克拉,目前我国金刚石单晶的年生产能力超过50亿克拉。除了个别企业凭借规模效应略有盈利外,大部分企业库存积压严重,导致亏损。

      随着间接加热技术的应用,在原有基础上扩大合成腔体已经成为行业大多数企业应对当前竞争的主要手段,随着腔体扩大带来的单产升高、成本降低等一系列问题,500mm缸径压机即将面临被淘汰出局部利益的命运,可以预见,原来处于行业中等规模的厂家大部分将会被淘汰,500mm缸径压机也将退出历史舞台,如果不能及时的开发出新的用途,必将变成一吨废铁。目前行业500缸径压机的服役年限一般不超过六年,设备状态良好,如能开发出新的用途,必将产生巨大的经济效益。我们希望能够利用目前行业500缸径压机六面顶压机进行新产品开发,寻找新的附加值高的产品,把投资大、数量多的金刚石压机资源充分利用起来。

      六面顶人造金刚石压机目前可生产的产品有:人造金刚石、立方氮化硼、金刚石复合片、立方氮化硼复合片、金刚石聚晶、立方氮化硼聚晶等产品。目前磨料级金刚石的生产即将陷入困境,国内复合片和聚晶的生产厂家越来越多,如果没有过人的优越性,很难在市场竞争中获得成功,常规质量的聚晶和复合片也将陷入磨料级金刚石生产的境地。

      从目前国内市场的调查情况看,大颗粒工业金刚石的应用呈现扩大的态势,而产品来源主要依靠进口来满足。国内大颗粒工业金刚石的生产多处于试验阶段,号称能够批量提供8/10金刚石单晶的中南金刚石厂目前推向国内市场的最粗粒度金刚石为14/16目,单价14元/克拉,仍然无法达到国内对大颗粒工业金刚石的尺寸要求,8/10目产品成本相对较高,售价依据品质的高低在260-600元/克拉之间,与国外同类产品比较,不具备明显的竞争优势。

      单晶金刚石可分为天然金刚石和人工合成金刚石。单晶金刚石用于制作切削刀具必须是大颗粒(质量大于0.2ct,最小径长不小于1.5mm)。

      作为刀具使用的天然金刚石工作条件苛刻,资源有限,价格昂贵,但随着对加工精度要求的不断提高,人们对天然金刚石大单晶的需求在不断增加。在市场调研过程中发现,运城地区作为我国制版行业的集中地,每年对0.2ct以上的天然金刚石的需求高达数亿元;基本全部从国外进口,在北京希波尔进行调研时了解到该公司每年大单晶的加工额也有数千万元。

      从晶体构成的角度分析,人造金刚石与天然金刚石在晶体构造上完全相同,因此只要在纯度上接近或超过天然金刚石,人造金刚石在性能上也就可以接近或超过天然金刚石,而且大颗粒工业金刚石的人工合成具有可控性,尺寸、形状和性能具有良好的一致性,完全可以替代天然金刚石,且成本易于控制。

      随着目前高温高压合成金刚石单晶技术的日趋成熟,元素六公司、日本住友、美国G.E公司等均能批量向市场供应切削加工刀具用金刚石大单晶(尺寸3.5×1.5×1.5mm以上)。由于国内尚无一家企业能够工业化生产适合切削刀具用的大颗粒工业金刚石,国内市场基本为国外产品占据。而且在市场调研过程中了解到,由于人工合成的大颗粒工业金刚石性能上可以做到与天然金刚石相同,且价格上具有优势,因此大颗粒工业金刚石具有极其广阔的应用和发展空间。

      金刚石特殊的性能使得其他物质无法代替,如果能够率先在国内开发出大颗粒工业金刚石制造技术,不但能够以较低的市场进入条件赢得市场,而且能够充分发挥500缸径压机的潜能,减少资源的浪费;将来更能一较大的优势进入世界市场,赢得超额利润;后续更能以大颗粒工业金刚石的生产为基础进入刀具市场,将可能导致刀具行业一次新的革命;甚至进军金刚石半导体芯片领域,引领半导体产业的最后一次革命。

      我们认为大颗粒工业金刚石产品还是比较具有开发价值的,理由主要由两点:一是市场需求很大,金刚石硬度的特殊性能使得其他物质不可替代;其二,大颗粒工业金刚石制造技术目前行业其他家还没有进行工业化生产,国外进口产品和国内试验得到的样品价格昂贵,市场利润丰厚。

      三、大颗粒工业金刚石技术现状

      我国大颗粒工业金刚石的合成起步虽然不晚,但进展不尽如人意,我国在大颗粒金刚石合成方面与国际先进水平相比还存在着较大差距。中科院上海硅酸盐研究所曾经于上世纪70年代中期用单源六面顶压机合成出4mm单晶金刚石,但由于再现性等问题,该项研究工作没有继续进行。1998年12月,吉林大学超硬材料国家重点实验室利用国产六面顶压机首次合成直径达3mm的宝石级金刚石单晶。2001年,吉林大学利用温度梯度法,,以金属钴作为触媒,在6×800吨六面顶压机首次生长出约1mm高品位金刚石。随后,经过更深入的研究实验,据说已经能够稳定生长出5mm优质大单晶金刚石。

      国外宝石级金刚石合成技术已经很成熟,利用温度梯度法,1970GE公司生长出1克拉(5mm)金刚石单晶、、1990年住友公司用大晶种法生长出9克拉(12mm)金刚石单晶、1996年DeBeers用100h合成出25克拉Ⅰb金刚石单晶、2000年住友公司合成出8.0克拉(10mm)优质Ⅱa型金刚石单晶。目前国外的高温高压合成金刚石单晶技术日趋成熟,元素六、日本住友、美国GE公司等均能向市场批量供应切削加工刀具用大颗粒工业金刚石(尺寸3.5*1.5*1.5以上),价格很高,利润丰厚。

      国内外目前普遍采用晶种法合成大颗粒金刚石单晶,这种合成工艺组装结构复杂、组装成本很高,由于生长普遍采用温度梯度法,金刚石晶种处于相对低温区,导致合成质量很难提高,再现性差,成功率不高,金刚石生长速度缓慢,单位制造成本居高不下,新的合成方法将避免出现以上问题,在降低成本的同时,提高成功率和单次产量,同时大幅度提高金刚石的生长速度。

      四、大颗粒工业金刚石合成技术简介

      本技术采用间接加热自发成核技术,克服了晶种法结构复杂、成本高、金刚石生长速度慢和成功率低等缺点,通过对组装结构、传压系统、设备保温保压性能和石墨柱材料结构的改进,改善了金刚石的生长条件,加上先进的成核和生长工艺控制技术,在大幅度提高金刚石生长速度的同时,确保了合成质量的提高。目前用四十分钟和五十分钟合成的0.9*1.2mm、1*1.4mm单晶,晶形为IIb型,合成质量已经基本达到细粒度(40/45)高品级单晶的水平,单次合成数量可以有效的控制在200-300粒,重复性良好,试验期间未发生裂锤现象,目前试验的进展情况验证了本技术理论的合理性和可行性。

      受设备性能和其他条件的限制,试验无法继续进行,需要对传统设备进行改造,对顶锤几何尺寸和组装结构重新设计以进一步在保证质量的前提下生长速度。在目前的情况下,能够保证单晶的生长速度达到0.2-0.3mm/10分钟,经过对试验所得样品和相关试验数据的分析,已经有绝对把握在2-3小时内实现1.5*2.1mm、2*3mm高品级单晶的连续合成,预计试验周期在材料和设备具备条件的情况下不会超过两个月。

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