晶体院金刚石六十年研发

玄真武,侯 立,王亨瑞,杨志奇,赵小玻,,王玉宝,承 刚,许婉芬, 曹延新,张 怡,王晓玲,张 哲,遇海涛,魏华阳,田 龙,王增辉

(1.中材人工晶体研究院有限公司,北京 100018;2.中材人工晶体研究院(山东)有限公司,济南 250200; 3.中材高新材料股份有限公司,北京 100102)

0 引 言

自1963年我国第一颗人造金刚石诞生至今,六十年来,我国金刚石产业经历了从无到有、从小到大、从弱到强的过程。截至2022年,国内工业金刚石产量为142亿克拉,垄断全球95%的工业金刚石原料市场。在应用市场方面,我国工业金刚石主要应用于建筑领域和石材切割传统领域,但是随着航空航天、汽车等领域对工业金刚石需求的持续增加,再加上光伏、第三代半导体规模化应用所带来的庞大新兴市场的需求,金刚石领域的发展方兴未艾。中材人工晶体研究院有限公司(简称“晶体院”)即原国家建材局人工晶体研究所,前身是建筑材料工业部非金属矿研究所,是我国金刚石工具行业及石材行业有着旗帜性、开创性、标杆性的科研机构,业内也称152厂。它是我国第一所专业从事人工晶体材料合成生长研究与应用技术开发的科研院所,曾经拥有人造金刚石研究室、人造金刚石工具研究室等科室和研究部门,为我国的人造金刚石及其工具,特种功能晶体的研究、生产,特别是在无机非金属硬脆材料加工用工具的应用研究方面作出了突出贡献,培养了姚裕成、侯立、胡为民、周育先、玄真武、王亨瑞等一大批专家学者。20世纪70年代,毛主席纪念堂、新北京饭店、中南海、钓鱼台等建筑的装修中均出现了晶体院生产的金刚石工具的身影[1]。2023年正值晶体院建院六十周年,本文通过回顾晶体院在金刚石领域半个多世纪的发展历程,结合该院在金刚石领域进行的大量研究工作,对金刚石产业发展中遇到的一些经验教训进行了总结和思索,并以此为契机对未来金刚石产业的研究与发展趋势进行了展望。

1 研究历程

1.1 20世纪60年代(1963—1969年)

晶体院是在聂荣臻、李先念等党和国家领导人的亲切关怀下,为保障我国在重大国防、科技领域对各种功能晶体材料的需求而成立的科研生产单位。从我国第一颗人造金刚石诞生以来,晶体院一直参与我国金刚石研发和产业发展的开创性工作。

1960年10月,当时的中华人民共和国第一机械工业部设立了代号为“121”的攻关课题组,下达了研究人造金刚石的进军令,集中全国相关单位之力共同完成,主要包括一机部通用所、晶体院、地质部地科院、磨料所等单位。1963年,经过不懈努力,终于在两面顶压机上成功研制出了中国第一颗人造金刚石,其中晶体院姚裕成、熊文松作为主要研究成员在项目研制中发挥了重要作用。项目成功后,姚裕成、熊文松回到晶体院继续从事人造合成金刚石的研究与开发工作。图1是姚裕成介绍金刚石产品工作照及国庆50周年金刚石专题报道姚裕成事迹。

1964年,晶体院从中国地质科学院调入几位技术人员,用小吨位材料试验机和年轮模具合成出了金刚石,成为国内最早独立生产人造金刚石的单位。为加速发展以人造金刚石为代表的人工晶体产业,1965年11月9日,国家科委硅酸盐新材料组在北京召开人工晶体专业会议(简称“11.9会议”),确定了人造金刚石、合成云母、压电晶体、光学晶体四大会战项目。会议起草的“关于人工合成晶体专业会议的报告”得到聂荣臻副总理高度重视,致函国家经委、计委、科委和国防工办负责人,建议“三委一办”联合转发“11.9会议”报告,并指出:“金刚石、云母、压电及光学晶体等是机械、电器、电子、仪器以及国防工业需用的重要材料,当前供需矛盾十分突出……这些材料的自然资源有限,进口困难,是短线战略物资。因此,除大力寻找、合理利用天然资源外,必须迅速发展人工合成晶体。”“三委一办”联合下文到有关部门,将人造金刚石(不含磨料级人造金刚石)、合成云母、人工光学晶体、人工水晶(不含高频谐振器用压电水晶)归口建材部(原国家建筑工程部,于1965年分为国家建筑工程部和国家建材部)管理,进一步明确了晶体院人工合成晶体的主攻方向,使我国的人工晶体发展驶入快车道。

1.2 20世纪70年代(1970—1979年)

1970年11月3日,李先念副总理及军委、国务院有关部委和北京市领导李德生、李强、袁宝华、陈军、杨寿山等,在国家建委张国传副主任、建材部白向银副部长陪同下来到晶体院视察,参观了人造金刚石、合成云母及其他晶体生长实验室,鼓励全所职工迅速将国家急需的人造金刚石、合成云母、人工水晶及光学晶体等材料的产量搞上去,并指示要边研究边生产。为贯彻该指示,晶体院在金刚石两面顶合成研究、聚晶金刚石研制、金刚石工具制备等金刚石产业的各个方面都取得了突破。“人造金刚石两面顶压机500吨级模具扩大腔体”“人造黑色含硼金刚石电镀工艺”“玻璃钢加工专用含硼人造金刚石聚晶刀具”等重要的金刚石成果通过基层技术鉴定。“人造金刚石锯片及铣磨工具”项目通过了建材部部级鉴定。“合成金刚石锯、切、钻、磨工具”等8项成果获全国科学大会表彰奖。为国家一系列重大工程提供了支撑。

在两面顶合成研究方面,晶体院在1978年完成了“含硼触媒及含硼黑金刚石技术”成果,并在北京召开了交流会,通过含硼触媒及含硼黑金刚石技术的应用,使两面顶金刚石在冷静压强度及抗热冲击性能得到了提升,基于两面顶金刚石工具指标较六面顶具有了较大的优势。该项成果受到与会数十位代表的重视。

在聚晶金刚石方面,1972年3月,晶体院组织开始聚晶金刚石的研究,终于在经半年多的试验后取得进展,制得直径达3 mm、强度较好的金刚石聚晶。

在金刚石工具方面,从1971年组织小批量生产内圆切割片的研制,到1973年全面开展锯、切、钻、铣、磨各种金刚石工具的研制,建成了我国首条金刚石工具生产线。为突破金刚石产能瓶颈,1976年晶体院通过将多环压配预应力结构的Belt模具改用钢丝缠绕,将人造金刚石腔体从φ14 mm扩大到φ18 mm,单产从3克拉提高到8克拉,取得了两面顶技术重大突破。

在国家重大工程方面,1#工程(毛主席纪念堂)的建设使用了大量大理石等高硬度的石材,其切割急需大量的金刚石工具。晶体院承担了上级下达的为1#工程大量赶造人造金刚石锯片的任务,在工具准备得当的情况下,最终1#工程仅用半年时间就完成了,晶体院因此获得1#工程指挥部颁发的奖状(见图2(a))。同年,为提高接待外宾的能力,新北京饭店完成扩建,其所用石材的加工工具也均由晶体院制造(见图2(b))。

1.3 20世纪80年代(1980—1989年)

1980年代,晶体院金刚石工具产业获得快速发展,为我国金刚石产业地位的进一步提升提供了契机。经过不断创新,适应不同加工需求的金刚石工具陆续研发成功,包括适用于混凝土、耐火材料、花岗石、大理石、石英玻璃等高硬度材料的加工工具。同时起草并审议通过“非金属硬脆材料用节块式金刚石圆锯片”“金刚石薄壁钻”“非金属硬脆材料用节块式金刚石圆锯”等多项部颁标准,引领了国内金刚石工具的技术和应用方向。研发的金刚石工具项目填补了多个金刚石工具应用领域的空白。“人造金刚石切、钻、铣、磨工具的研制”“光学眼镜片冷加工粗磨用金刚石球面磨具的研制”“深孔薄壁金刚石钻头基体的冷挤压技术研究”“熔铸耐火砖加工用金刚石铣磨工具”“非金属硬脆材料用节块式金刚石圆锯片” “大直径人造金刚石圆锯片和电镀磨边轮的研制”等成果分别荣获部级科技进步三等奖(见图3)。

自1980年开始,晶体院同德国、日本等国外金刚石工具先进生产企业进行了广泛的技术交流,通过一系列技术引进(从德国Dr Fritsch KG公司(费雷奇公司)引进了首台全自动金刚石圆锯片焊接设备,从日本引进了“金刚石多晶复合片及钻头制造中间试验”技术项目)为我国金刚石工具产业追赶国际先进水平奠定了基础。

图3 金刚石产品获科技进步三等奖(a)及国家科技成果(b)、(c)Fig.3 Diamond products obtained the third award of Science and Technology Progress (a) and national scientific and technological achievements (b), (c)

在金刚石工具方面,1985年,由晶体院金刚石制品领军人物胡为民牵头完成的“高耐温黑色人造金刚石及人造金刚石切、钻工具的开发和推广”荣获国家科技进步二等奖(见图4),所研制的金刚石工具在“建材工业国内外现状比较展览会”上进行了展示(见图5)。胡为民作为我国人造金刚石工具的奠基人之一,培养了一批金刚石工具专家和接班人,如后期担任第五研究室负责人的周育先、王亨瑞、孙建民、郭建胜、阮方等。

在化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)金刚石方面,1987年,晶体院参与国家“863”计划,这是国家首次将CVD金刚石技术列为研究内容,也标志着晶体院正式开展CVD金刚石相关的研究。1988年,侯立赴日本东京参加“第一届国际新金刚石科技技术会议”。同年,侯立等报道了金刚石薄膜材料的研究进展,阐述了金刚石薄膜的性能及其应用前景,介绍了金刚石薄膜的部分生长方法[2]。1989年,杨佩春等[3]利用热丝化学气相沉积(hot filament chemical vapor deposition, HFCVD)、电子束增强HFCVD及射频等离子体CVD方法,以甲烷、乙醇和H2的混合气体为原料,在Si(111)及石英玻璃基片上生长出金刚石薄膜,研究发现在Si基体和金刚石薄膜之间产生Si1-x-Cx过渡层,且结晶状态良好的合适的Si1-x-Cx过渡层有利于生长致密的金刚石薄膜。

1.4 20世纪90年代(1990—1999年)

1990年代,晶体院大力推进对外合作,引进消化吸收了金刚石工具、水雾化合金粉、HFCVD金刚石膜等先进制备技术,进行了大规模的联营生产实践,为金刚石产业全面发展提供了技术支撑,并成立了国内唯一一家生产人造金刚石的中外合资企业——北京金轮晶体制造有限公司(图6为金轮公司成立签字仪式合影)。晶体院先后研究开发了机场混凝土伸缩缝切割专业锯片、高强度耐火砖切割及铣磨工具、薄壁工程钻头、适合特殊加工条件需要的干切锯片等金刚石工具,以及为满足石材装饰大板加工需要配套的进口先进石材加工设备及大料加工的1 600 mm以上的大直径圆锯片、金刚石排锯、铣磨、抛光等系列金刚石工具;研发了适合半导体材料加工的金刚石超薄切割片,形成锯、切、钻、铣、磨及电镀人造金刚石全系列工具,国内建立多个基地(玉田)、金刚石工具(四川郫县)联营厂及大直径锯片焊接点,年销售达到2 700余万,市场占有率达到60%以上,得到了宋健等国家领导人的高度评价(图7为1990年6月19日,时任国务委员兼国家科委主任宋健到晶体院视察工作与所专家和领导的合影)。

图5 1985年时任国家建材局局长林汉雄(右1,后升任 建设部部长)在“建材工业国内外现状比较展览会” 上向国务院副总理方毅(右2)介绍晶体院所生产的 金刚石锯片,右3为国家建材局副局长王燕谋 (后接林汉雄局长,升任国家建材局局长)Fig.5 Lin Hanxiong (first from the right), Director of the State Building Materials Bureau, introduces the diamond tools developed by Sinoma Synthetic Crystals Co., Ltd. to Fang Yi (second from the right), Vice Premier of the State Council

图6 北京金轮晶体制造有限公司成立签字仪式 (时任对外经贸部副部长俞晓松,前排右4;时任国家建材局 局长王燕谋,前排右8;晶体院所长夏侯谅,右1; 晶体院副总工程师姚裕成,右3)Fig.6 Signing ceremony for the establishment of Beijing Jinlun Crystal Manufacturing Co., Ltd.

图7 1990年6月19日,时任国务委员兼国家科委主任宋健到晶体院视察工作,并与专家和领导合影留念(宋健,前排右6; 中国工程院院士沈德忠,前排右5;国家级专家黄朝恩,前排右4;时任国家建材局副局长李俭之,前排右3; 时任中国无机非金属材料科技实业总公司总经理王祖德,后排右2;晶体院所长夏侯谅,后排右4;晶体院党委书记吴振民, 后排左1;晶体院副所长剧哲民,前排右4;晶体院副所长张红武,后排右1;晶体院副所长胡为民, 后排左2;晶体院总工程师范纯学,前排左2;晶体院副总工程师姚裕成,前排右2)Fig.7 Song Jian, then State Councilor and Director of the State Scientific and Technological Commission, visited Sinoma Synthetic Crystals Co., Ltd. and took a photo with experts and leaders in June 19, 1990

在金刚石工具方面,晶体院与美国、日本、德国、南非、以色列和泰国等国家进行了进一步的技术交流:孙爱宝、李玉斌、史历学习引进了水雾化制粉新技术和金刚石工具制作新技术,为后续人造金刚石的大规模发展提供了保障;夏侯谅、王治安和姚裕成等从美国引进了先进的锯片级金刚石技术;周育先、王亨瑞等从英国和德国引进了先进的成套金刚石工具设备。这一系列国外先进技术的引进覆盖了从触媒粉到金刚石工具制备的完整金刚石工具产业链,为我国金刚石工具产业的发展奠定了基础。为进一步推动产业发展,1995年11月,成立了北京天地金刚石技术有限责任公司,全面推动金刚石工具的产业化和市场化。通过“金刚石膜工具应用产业化关键技术研究”等“863”计划项目的开展,晶体院突破了60 MN金刚石专用装备的自主研制,周育先、玄真武、马春生、姚兴元等被共青团直属机关委员会授予“国家建材局优秀青年”称号。可以说晶体院金刚石工具在科技创新、产业发展和人才培养等各个方面都取得了较好的成绩。

1982年,日本无机材质研究所的Matsumoto等[3]的一篇论文,引发了全球CVD金刚石技术研究的热潮。20世纪80年代,全世界在新材料、信息及能源等高技术领域蓬勃发展,竞争日趋激烈。党中央国务院果断决策,批准实施《高技术研究发展纲要》,于1986年3月启动实施了国家高技术研究发展计划。晶体院于1987年开展CVD金刚石技术研究,并于当年承担了国家“863”计划中“化学气相沉积金刚石膜技术”研究(首批获得“863”资助的单位包括吉林大学、北京理工大学、四川大学和晶体院)。

在侯立专家的带领下,晶体院项目实验室着重研究和发展了HFCVD,得到了领域内的广泛关注(图8为蒋民华院士与侯立专家交流CVD金刚石技术的留影)。在这期间,实验室主要研究内容包括沉积设备设计、加工组装和持续改进,热丝结构,提高形核密度等金刚石膜制备技术,并获得一批科研成果[3-4]。1989年侯立专家到宾夕法尼亚州立大学材料研究实验室作访问学者,历时1年半,研究了HFCVD+直流等离子体技术,提高了沉积速度和质量(实验装置见图9)。

图8 侯立和山东大学蒋民华院士交流Fig.8 Hou Li communicates with Academician Jiang Minhua from Shandong University

图9 热丝+直流CVD实验装置Fig.9 Hot filament+DC chemical vapor deposition experimental device

“八五”期间(1991—1996年),晶体院为加快金刚石技术水平提高速度,继续承担了“863”计划项目,项目组加强了与国外的学术交流,参加了多个国际会议,并派遣访问学者进行学术交流,极大地促进了晶体院在CVD金刚石制备和加工技术水平的快速提高[5-6]。

除了继续深入研究HFCVD金刚石膜技术,晶体院还探索了其他几种主要的金刚石膜制备和加工技术,包括氧乙炔焰CVD[7]、直流电弧等离子体CVD、直流热阴极等离子体CVD[15]、砂轮高速抛光CVD金刚石、热铁盘化学机械抛光技术等。并与钢铁研究总院合作,通过透射电镜、俄歇电子谱等手段研究了金刚石膜与基体之间的界面结构[8-13],探索了硬质合金刀具上金刚石涂层制备工艺[14]。

图10 金刚石激光切割机Fig.10 Laser cutting machine of diamond

“九五”期间(1996—2000年),科技部将CVD金刚石列为“863”重大关键技术内容,晶体院也是该重大关键技术项目的承担单位。在项目实施期间,开发了高效大尺寸金刚石厚膜制备技术与关键性加工技术(YAG激光切割、研磨抛光、与其他材质的钎焊技术),实现了以下开拓性工作:

1)在国内与中国电子科技集团公司第十一研究所合作,开发了首台切割金刚石材料的YAG激光切割机(见图10)。金刚石激光切割技术解决了绝缘材料无法用电火花线切割加工的问题,不仅大大提高了CVD金刚石切割速度,并且切缝远小于电火花线切割,有效提高了出材率,也迅速在聚晶金刚石(PCD)的切割领域得到大力推广(以前采用电火花线切割),其切割速度较电火花线切割提高了数十倍。该技术填补了我国在CVD金刚石(无掺杂时绝缘)切割技术方面的空白,为后续金刚石膜的广泛应用奠定了基础。

2)首次采用真空钎焊技术(设备见图11(a)),将CVD金刚石与其他材料,例如硬质合金、陶瓷等进行钎焊。该技术的开发,可直接将CVD金刚石用于刀具和修整工具。在后续的研究工作[16-18]中还制备出各类型的金刚石工具(见图11(b)～(e)),为晶体院在厚膜应用方向上的研究提供了基础,推进了产业化进程。

图11 超高真空钎焊炉(a)及其制备的各类CVD金刚石工具:(b)CVD金刚石复合片/刀头;(c)CVD金刚石车刀; (d)CVD金刚石复合木地板刀具;(e)精密轴承支撑器Fig.11 Ultra high vacuum brazing furnace (a) and various types of CVD diamond tools: (b) CVD diamond compact/cutter head; (c) CVD diamond lathe tool; (d) CVD diamond tool for compound wood floor; (e) precision bearing support implement

3)在国内首次开发了大尺寸金刚石片抛光技术,将高精度刀具加工技术向前推进了一大步。最大可研磨抛光加工φ80 mm金刚石厚膜,使大尺寸CVD金刚石表面抛光技术成为现实。为厚膜刀具、热沉、光学窗口、耐磨部件等应用奠定了基础。

4)在国内首次利用PCD刀具刃磨机(见图12)开发了CVD金刚石刀具的刃磨技术,进而研发了采用空气轴承铸铁盘的刃磨机,开发了高光洁度CVD金刚石刀具。

5)1998年与国内厂家合作,开发出5 kW级微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置,并且成功沉积出光学级金刚石厚膜(见图13),其厚度为100 μm,透过率达71%。

图12 CVD金刚石刀具刃磨设备Fig.12 CVD diamond tool grinding equipment

图13 光学级金刚石厚膜,左为两面抛光片,右为非抛光片Fig.13 Optical diamond film, left is double-side polished film, right is non-polished film

图14 CVD金刚石拉丝模Fig.14 CVD diamond wire drawing dies

6)在国内最早开发出CVD金刚石工具产品,如拉丝模产品[19],如图14所示。

7)1999年,由侯立牵头完成的“金刚石膜制备及工具应用”荣获国家科技进步二等奖(1998年3月获部级一等奖),如图15所示。该项目源于国家“863”高科技计划重大项目课题,晶体院在国际上首次采用了具有国际先进水平直流等离子体-热丝复合CVD金刚石生长技术实现了具有国际领先水平(见表1)的金刚石石厚膜的制备,并使用厚膜制备出了金刚石厚膜拉丝模、砂轮修整器、轴承支撑器等新产品,在电机整流子、汽车轮毂等行业获得了广泛的应用。

表1 直流等离子体-热丝复合CVD与国外3种1995年最高水平生长方法的参数比较Table 1 Comparison of parameters between DC plasma-hot filment CVD and three foreign growth method at the highest level in 1995

图15 侯立获得国家科技进步二等奖Fig.15 Hou Li obtained the second prize of National Science and Technology Progress Award

图16 CVD金刚石厚膜生产车间生产的 φ(80～120) mm厚膜原片Fig.16 φ(80～120) mm CVD diamond thick film prepared by CVD diamond thick film factory

20世纪90年代,美国已有数家从事CVD金刚石技术产品开发的高技术专业公司,P1 Diamond Inc.、SP3 Inc.、ASTEX、Diamonex等。鉴于此,晶体院与南京天地集团公司于1996年合资成立北京天地东方金刚石技术有限公司。这是国内第一家以CVD金刚石为主业的高科技公司,主要生产CVD金刚石原片、坯料,金刚石工具等超硬材料和工具,标志着金刚石材料研究步入了产业化阶段。1997年,北京天地东方金刚石技术有限公司CVD金刚石生产车间可批量生产80～100 mm金刚石厚膜(见图16)。

1.5 21世纪

进入21世纪以来,为了加快晶体院在超硬材料领域的发展,晶体院与南京天地集团于2001年决定成立北京天地东方超硬材料股份有限公司(简称天地公司),将原来的金轮公司、金刚石锯片车间等与原天地东方金刚石技术公司组成股份有限公司。通过整合产品线,开发CVD金刚石、PCD复合片、PCBN(聚晶立方氮化硼)复合片刀具。例如,复合木地板刀、轴承支撑块、切槽刀、机卡刀、精密砂轮修整器及坯料等(见图17)。依据市场需求开发研究大型风电叶片加工的配套加工刀具,开发多用途、多规格轴承支撑器、V型支撑座等耐磨器件的产品等(见图18)。

图17 北京天地东方超硬材料股份有限公司在国内首次研发的CVD金刚石刀具Fig.17 Beijing Tiandi Dongfang Superhard Materials Co., Ltd. researched CVD diamond tools for the first time in China

图18 (a)螺旋伞齿轮专用加工的硬切刀具;(b)风电叶片加工刀具;(c)轴承支撑器等耐磨部件Fig.18 (a) Hard cutting tool specially processed for helical bevel gear; (b) mechanical tool for wind turbine blade; (c) bearing support implement

开发了大尺寸金刚石厚膜制备技术,从装备到沉积工艺都进行了大量的研发工作。实现了直径150 mm的厚膜制备,并将其产业化,图19为2006年生产车间照片及直径150 mm的厚膜样品。2002年,韩毅松、玄真武等[20]总结了纳米金刚石性能及应用前景,在之后的几年中何敬晖、玄真武等[21-22]展开了金刚石膜晶粒尺寸相关的研究,采用热丝辅助化学气相沉积工艺制备出纳米、微米及细晶粒金刚石膜材料,并研究了其物理机械性能,明确了细晶粒金刚石膜优异的综合机械性能,对纳米金刚石膜的研究也推进了在声表面波基片方面的研究。之后的发展过程中,晶体院与天地公司定期总结生产研究经验、前沿科研应用研究,分别于2008、2009、2010、2012年由董长顺、王亨瑞、秦松岩等发表综述论文5篇[23-27],总结了国内外CVD金刚石产业发展状况,分析了发展前景及方向,为企业稳定持续运营、行业的健康发展作出了长足的贡献。

图19 (a)北京天地东方超硬材料股份有限公司2006年车间及设备照片;(b)φ150 mm CVD金刚石厚膜样品Fig.19 (a) Equipments of Beijing Tiandi Dongfang Superhard Materials Co., Ltd. in 2006; (b) φ150 mm CVD diamond film

进入21世纪以来,晶体院承担了多个国家及地方的科研项目,主要开展了包括高声速声表面波器件基片(见图20(a)、(b))制备技术研究[28-30]、大尺寸球罩制备和加工技术(见图20(c))、超纳米晶金刚石拉曼光谱的研究[31-32]、大尺寸金刚石厚膜产业化技术研究等。其中“中高频声表面波关键材料与器件研究”项目获2006年北京市科技进步一等奖(本项目是由多家单位联合研究,一同获奖的单位还有清华大学、中国电子科技集团公司第二十六研究所、中国科学院微电子研究所等)(见图21)。

图20 (a)5 GHz金刚石声表面波滤波器件;(b)双面抛光光学级金刚石头罩;(c)Si基底上生长的金刚石膜 (

图21 金刚石声表器件项目荣获北京市科技进步一等奖Fig.21 Diamond SAW project won the first prize of Beijing Science and Technology

国内外对金刚石膜的电化学应用研究逐渐走向实用化,其高效消杀和污水处理应用符合国家的环保和全民健康的各项政策。2018年,图22为掺硼金刚石产品。晶体院研发中心确定开展掺硼金刚石膜技术的研究[33-34]。实验室对沉积工艺、掺硼原料、基体原料进行了充分研究后,选择了更加环保和安全的工艺技术,为后期的产业化奠定技术基础。

2020年,中材人工晶体研究院(山东)有限公司成立,掺硼金刚石技术研发继续开展[35-37],并于2022年达成试生产目标完成技术转让,在此期间开发多款掺硼金刚石电化学应用产品(见图23),较为系统地对掺硼金刚石在消杀、废水处理等方向的应用进行了研究与开发,在公司双创发展战略下成功进行了科技成果转化及工程化验证。

图22 掺硼金刚石产品。(a)各类型电极片;(b)金刚石电极消杀喷壶Fig.22 Boron-doped diamond products. (a) Various types of electrodes; (b) diamond electrode disinfection spray bottle

图23 直径300 mm HFCVD金刚石厚膜产品图Fig.23 φ300 mm HFCVD diamond thick film

2 历程思索

晶体院在成立之初,就开始了金刚石制备与应用的研究,并且在金刚石研究、产业化、应用技术等多方面都曾经是行业的先行者和领导者。

20世纪60年代采用两面顶合成金刚石,80年代采用两面顶压机规模生产金刚石单晶,从德国引进生产石材切割锯片技术(热压金刚石/合金粉制备、高频焊接等技术),形成国内第一个锯片生产线,产品供不应求。20世纪80年代后期,晶体院在CVD金刚石技术方面取得了辉煌的成就,开发了CVD金刚石厚膜制备、加工的产业化技术,包括厚膜制备技术、激光切割、研磨/抛光技术、与其他材料的钎焊技术(例如与硬质合金、陶瓷等),并且开发了一些典型的CVD金刚石厚膜工具,这些技术在当时都为国内首创,并因此在1998年获得国家科技进步二等奖。1996年创立了国内第一家以CVD金刚石技术为主的高新技术公司,为我国在该技术的产业化和商业化发展做了有益的探索。这些成果彰显了晶体院极强的创新能力和产业化开发能力。2020年以后,CVD金刚石技术在章丘的产业化基地落地开花,继续创造晶体院在金刚石材料技术的辉煌,为我国金刚石材料技术进步、事业的发展贡献晶体院的力量。

回顾晶体院六十年的发展,特别是金刚石产业的研究与应用历史,在国家政策扶持、晶体院领导的支持及老一辈专家辛勤付出下,晶体院形成了拥有自主知识产权的单晶金刚石、CVD金刚石厚膜及金刚石工具等系列产业,获得多项国家及省部级奖项,培养了一大批高素质技术人才,建立了一支高水平的金刚石产业研究与开发队伍,为晶体研究院的发展做出了贡献。这六十年的发展,有很多值得思考和总结之处。

1)晶体院在金刚石前沿技术研发方面做了很多开拓性的工作,得到了国家及省部级多项技术和资金的支持,在项目研究阶段取得了很好的研究成果,技术优势明显,研发人员素质高,硕果累累。在改革开放初期大规模地“走出去”,注重加强国际合作,这也是技术研发和产业开创成功的关键。

2)在产业化转型过程中不够大胆,产业化机制不够健全,错失了一些产业化发展的机会。金刚石工具在项目支持下引进了先进的制造设备,前期产业化取得明显效果,但后期的发展规划及技术、设备的投入上没有赶上市场发展的脚步,在竞争中处于下风。CVD金刚石膜产品及金刚石工具产品,在前期研发过程中取得了明显的优势,其中有多个产品在国内率先开发投入市场,在技术完善和产业化方面做了大量的工作,有很好的效果,但后期在技术进步、产业化先进装备投入上处于劣势,工具级产品的定位处于中低端,不能形成产品的核心竞争力。另一个重要的原因是,对于跟踪CVD金刚石技术发展的措施不足,在功能性应用上仍然是以机械性能为主(包括声表的应用),而在制备技术(例如MPCVD),热学、光学以及电化学等方面没有及时投入力量进行相应研究。

3)市场开发得相对比较保守和封闭,用产品找市场,市场接受过程长,延误了产品的发展机会,产品成熟市场稳定后投入滞后,转化成规模产业较慢,纯科研思维无法适应市场开拓和产业化发展,技术优势难以快速转化成产品、产业优势。面对CVD金刚石等新材料及其新产品的开发,不仅对天地公司是一个全新的挑战,对晶体院原有的市场开发机制也是挑战。对市场不可谓不重视,但在市场开发的策略、管理,以及用人等方面还有差距。

4)对专利等对企业知识产权保护的认识不深,也未能充分利用专利等手段进行市场开发。

5)目前由于HFCVD金刚石的技术和生长特点,公司在CVD金刚石膜材料在声、光、电、热学应用开发存在明显不足,重点需要在技术上解决,开发符合相应技术要求的产品。

6)维持、培养一支经验丰富、专业知识全面的技术团队是进行技术跟踪和创新的必要条件。这方面投入需要有长期规划。

3 展 望

在六十年沉淀的基础上,晶体院在以下金刚石技术和产业方面展望未来:

1)金刚石工具应用方面,随着金刚石工具加工技术的多样化,新的加工技术及设备(激光加工)解决了大部分金刚石工具的加工难点,满足了各种异形刀具的精加工要求,为金刚石的刀具开发提供了基本条件,有利于金刚石工具的应用领域拓展。随着我国高端工业发展,精密加工所需的CVD、PCD、PCBN刀具的应用市场巨大,市场对配套精密数控加工的标准化、系列化的高精密金刚石刀具需求旺盛,需要有相应的设备配套。

2)作为典型高科技晶体材料,CVD金刚石的制备技术须持续进行研发和完善工作,促进创新,从技术和装备上突破国外技术封锁,在热学、光学、电化学、声学、电学等领域的应用还须不断开拓,其应用前景值得期待。

3)强化工程化、产业化思维,以市场为第一需要进行产品开拓,有利于提高行业知名度,创建晶体院的金刚石产品品牌。