CVD金刚石应用前景探讨
第21卷第4期
超 硬 材 料 工 程
V o l .212009年8月
SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G
A ug .2009
CVD 金刚石应用前景探讨
①
谈耀麟
(桂林矿产地质研究,广西桂林 541004)
摘 要:阐述CVD 金刚石发展及其在工业金刚石中的重要地位。聚晶质和单晶质CVD 金刚石在切削工具、散热元件、耐磨零件、高强度复合线材以及检测器等方面已取得成功的应用,但有些问题仍待解决。对单晶质CVD 金刚石的突出性能及其在高科技应用的可能性与发展远景作了评述。关键词:CVD 金刚石;应用领域;高科技;发展远景
中图分类号:TQ 164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2009)04-0049-05
D iscussion on the prospect for the appl ica tion s of CVD d i am ond
TAN Yao 2lin
(Gu ilin R esearch Institu te of Geology f or M ineral R esou rces ,Gu ilin 541004,Ch ina )
Abstract :T he developm en t of CVD diam ond and its i m po rtan t statu s in the indu strial dia 2m onds w ere described .Bo th po lycrystalline and single crystal CVD diam ond have its suc 2cessfu l app licati on s in cu tting too ls ,heat sp readers ,w ear 2resistan t parts ,detecto rs ,and h igh 2strength com p lex w ires etc ,bu t som e p rob lem s rem ain to be so lved .T he ou tstanding p rop erties of single crystal CVD diam ond and its po ten tial app licati on s in h igh 2tech as w ell as its developm en t p ro spects w ere discu ssed .
Keywords :CVD diam ond ;app licati on area ;h igh 2tech ;developm en t p ro sp ect
经济的发展动力在于工业,工业要提高生产率与
加工精度则和金刚石的应用密切相关。天然金刚石资源稀缺,显然满足不了需求,人造金刚石遂应运而生。在诸多工业加工领域中,金刚石已被公认为首选之超硬材料。选用天然金刚石抑或人造金刚石则取决于各自的突出优异性能与可论证的性价比。因此,在有些应用领域中,至今人造金刚石尚无法取代天然金刚石,而在另一些应用领域中人造金刚石则完全取代了天然金刚石。关键问题在于金刚石的粒度(块度)大小。迄今,以高温高压方法合成的人造金刚石的粒度尚不能满足工业特别是军事工程与高端科学技术发展之需。从技术上说,高温高压合成法有可能生产出
4～6mm 或以上的大块度人造金刚石,但从经济方面
说是不可取的。原因是工艺过程难控、周期长、再现率差、成本高。金刚石的最大特点就是其硬度,是公认的已知的最硬物质。就工业应用而言,金刚石的这一优点也恰恰是它的缺点,因为极难加工成所需之形状。众所周知,工业与科技应用的金刚石需要各种各样的形状。鉴于以上原因,作为世界上最大工业金刚石的研发机构与供应商,元素6公司于上世纪90年代初即改变研究重点,由大力研究高温高压合成大颗粒人造金刚石转向研发CVD 金刚石。因为CVD 金刚石的最大优点是可以沉积生长成大块度,可以具有所需的形状与特定的性能。为此,该公司一方面在英国设立了
①收稿日期:2009-03-10
作者简介:谈耀麟(1936-),男,高级工程师,长期从事超硬材料方面的科研和情报工作。
CVD金刚石研究中心,并相继建立了数个CVD金刚石专业生产厂,还在荷兰设立了销售中心;另一个方面则把部分高温高压合成人造金刚石的产能转移到中国等劳动力价格低廉的发展中国家。
美国是工业发达的大国,因此也是工业金刚石消耗的大国,然而它又是天然金刚石资源奇缺的国家。美国对工业金刚石的需求主要是制造业与建筑部门,尤其是国家高速公路网的建设与维修每年要耗用大量工业金刚石。而美国空间技术在军工部门对大块度工业金刚石的需求有增无减,常年重金购买与储备。从战略高度考虑,不掌控大块度工业金刚石将处于军备竞争与高端科技发展的被动地位。因此近年来美国一家研究机构一直在研发一种化学气相沉积法的技术,据称可使CVD金刚石的沉积生长速度高于微波等离子化学气相沉积法的生长速度,并认为CVD金刚石将在计算机技术中起重大作用,因为用金刚石制造的半导体的性能比硅半导体优越得多,运算速度可更快,而且允许的工作温度可以更高。
起初CVD金刚石在机械工业中主要是利用其硬度与耐磨性而用于制造切削工具,嗣后随着科学技术的发展,它的其它优异性能如热学性能、光学性能、电子学性能和电化学性能等逐渐被开发应用。目前元素6公司生产的CVD金刚石产品计有光学级、热学级、机械级、电化学级、单晶质金刚石片、电子级单晶质金刚石片和用户要求的特型等七大类。现将CVD金刚石的应用领域与发展前景论述如下。
1 切削工具
CVD金刚石用于切削有两种形式:聚晶质CVD 金刚石薄膜和单晶质CVD金刚石厚膜或片,可切割成不同形状。单晶质CVD金刚石切削工具主要用于加工强度高而质量轻的结构材料如金属基体复合材料(MM CS)等,存在问题是不能制成形状复杂的切削工具。聚晶质CVD金刚石薄膜常用作超硬覆层材料附着于切削工具刀头或刃部,如钻头、铰刀、扩孔器、尖底锪等来加工有色金属、塑料、复合材料(碳素纤维或玻璃纤维增强)等,与碳化钨硬合金刀具相比,切削速度更快,使用寿命更长、加工的光洁度更高。CVD金刚石薄膜还用于拉丝模芯,可拉制钨、钼、铝、铜、不锈钢等金属或合金的线材。
由于汽车制造业与航空航天工业的发展,高强度、高耐磨性的铝基轻合金的应用越来越广泛。采用CVD金刚石切削工具加工超低共熔体铝硅合金比用传统的碳化钨硬质合金刀具优越得多。目前用热丝极化学气相沉积工艺可以将聚晶质金刚石膜直接沉积在不同材质的基体上并在各种基体形状上获得高质量的金刚石附着层。微晶质金刚石沉积附着层具有较高的耐磨性和附着力;而纳微晶质金刚石沉积附着层则可制成较小的切削刃半径,而且与工件接触面的摩擦系数较小。纳微晶质金刚石存在大量晶界,裂纹不易扩展,所以破裂强度较高。应指出的是,作为基体的碳化钨硬合金的含钴量较低为好,以免影响金刚石膜之生长与附着。为此,用作基体的碳化钨硬合金需经过机械和化学预处理以去除表面层附近的钴并使表面均匀化。对于形状较复杂的切削工具如螺纹铣刀等,采用较高硬度和抗弯强度而含钴量中等的碳化钨硬合金作基体有可能克服目前形状复杂刀具表面上金刚石沉积层附着力不够大的问题[1]。
2 散热元件
CVD金刚石的导热率比铜高五倍,是制作散热片的极佳材料,其性能远优于传统材料。热学级CVD 金刚石膜制作大功率光电子器件和大功率半导体二极管激光器的热扩散元件已应用于光通讯和军事工程。目前用于激光二极管、大功率晶体管、大功率分立二极管等用的散热元件是用CVD金刚石膜经激光切割成25mm见方,并经磨光后厚度为0.2～1.0mm的薄片制成,具有很好的热扩散和热传导性。随着生产成本的降低还可广泛应用于热敏器件、发光二极管、射频功率晶体管以及小型微波集成电路等。核心技术在于导体化(金属化),使金刚石与金属元件很好接触,从而很快降低器件的温度,使它的性能更好更可靠、使用寿命更长[1]。
3 医疗器具
CVD金刚石用作外科手术刀具有十分锋利的刀刃,比传统的钢刀片锋利许多倍,可精确操控切割过程使伤口更快愈合。
利用CVD金刚石的特殊综合性能可以之制造人工股关节的杯形支承件。CVD金刚石制作的放射性剂量计已应用于医疗剂量控制。
在牙科治疗中使用超声波驱动的CVD金刚石针状磨头替代传统的高速金刚石牙钻可以更精确地磨掉龋齿的腐败部分而保留健康的牙齿结构,操作时噪音、振动、发热和压迫感显著降低,因而减少了牙病患者特别是儿童牙病患者的痛楚[3]。CVD金刚石牙科
医疗器械势将完全取代电镀金刚石牙科医疗器械。
CVD金刚石在癌症治疗中也有许多应用,如制作离子射束检测器等。离子射束对人体细胞组织可产生特殊的物理和生物作用,因而可有针对性地摧毁某些癌细胞而保留健康的细胞组织。此外,在癌症治疗之前也需用CVD金刚石制作的检测器来检测辐射束的断面大小和确定辐射的绝对剂量。前者应用的是聚晶质CVD金刚石,后者则是单晶质CVD金刚石[4]。
4 光学器件
CVD金刚石的纯度高具有很好的透光性。光学级CVD金刚石膜在紫外线到红外线的长波范围内有很高的光谱通过性能,加之优良的热学性能、机械性能,并结合其低漫射性,在光学领域中有着重要而广阔的应用,是极好的光学窗口材料,可在恶劣环境中使用,例如用作紫外光、红外光、大功率CO2激光出射窗口、大功率微波窗口等。半球形CVD金刚石窗口在军事工程上有很重要的应用,如高速导弹的头罩和机载红外热成像装置的窗口等。传统的红外光窗口用ZnS、ZnSe或Ga制造,由于性脆易坏而采用CVD金刚石薄膜强化,但CVD金刚石薄膜是聚晶质的,而且表面光滑度不够高,可使红外线信号产生衰减和散射从而降低析像能力。因此,目前已趋向于采用单晶质CVD金刚石厚膜(片)来制作红外光窗口。此外还用作单色光镜、分光镜等。
在无线电远程通信中用的喇曼激光器一直是采用硅等材料制作。目前采用CVD金刚石制成的喇曼激光器是一种新型的固态激光器,在水下成像、内科成像、眼科学、癌症治疗以及多光谱成像等方面将开创新的应用领域。用CVD金刚石作固态激光器可以使其结构小而紧凑,具有更大的功率操作能力,并可用目前无法利用的波长工作,因此具有广阔的应用前景。特别是元素6公司研制的超低重析率单晶质CVD 金刚石为金刚石在光电子学上尤其是在激光器上的应用迈出了坚实的一步[5]。
5 声学器件
特殊的穹面形CVD金刚石结合其极好的刚性和相对较轻的质量是制造高保真灵敏度的高频扬声器的理想材料。此种产品已于2004年面市。CVD金刚石在声学上的进一步应用尚有待研究开发。6 耐磨零件
利用CVD金刚石的高硬度高耐磨性结合其很好的抗拉强度和断裂韧性可镀覆在有色金属、塑料和复合材料等表面上制作耐磨零件,目前已成功应用于高压水喷射切割装置和电化学仪器。不过对黑色金属而言。目前尚不适合使用这种CVD金刚石耐磨保护层。因为在摩擦发热的情况下,金刚石保护层与黑色金属会起反应而分解。
7 高强度复合线材
用化学气相沉积法将金刚石沉积生长附着在有色金属线材或者非金属纤维外表面可制成高强度复合线材。这种复合线材质量轻但强度大,可作为增强纤维制成金属基体复合材料,用于承载结构可具有强度大、刚性好、质量轻等特点,在航空航天工业和高端科技上应用前景无限广阔。
8 检测器
由于CVD金刚石具有射束安全性、快速反应性和无热改噪音性的特点,所以是制作检测器的重要材料。利用CVD金刚石的某些特殊性能如防辐射性等。还可用作粒子物理检测器和热核等离子聚变能研究中电子回旋加速器加热装置的毫米波真空边冷式窗口材料。实际上在上世纪20年代一直是用天然金刚石制作紫外线检测器,只是近年研制出高强度单晶质CVD金刚石之后,制作的检测器性能才具有更高的灵敏度、很好的空间与瞬时分辨能力,以及低的泄电流和电容,使器件结构简单、耐高温、使用寿命长而应用于高能物理、原子能监测、放射疗法、剂量测定以及掺硼金刚石生物 化学感受器等[6]。为此元素6公司旗下设立了金刚石检测器公司从事金刚石表面处理(再加工)等研究工作以及研制各种检测器。
在德国,目前正在建造的反质子与离子研究设施作为深入研究宇宙演化的一部分,已用于研究物质的性能。在该设施中CVD金刚石将应用于各种信号传感与检测技术。在大量科学实验中收集与阐明试验数据均需要先进的检测技术和强大的数据处理能力,而传统的检测器性能已无法满足要求。为此,德国重离子研究所正与金刚石检测器公司合作研发用金刚石制造的新型检测器用于各种射束 聚束监测、射束断
面与时间结构分析、射程时间测量、高分辨率谱测量、高能量和低能量放射线探测等等。总之,基础科学和应用科学研究如核物理学、原子物理学、等离子体、材料科学、生物物理学以及原子核与电子层物理学等研究工作都需要应用各种各样的检测器[7]。
9 发展前景
过去5年来,对CVD金刚石应用的研发集中在它的机械性能与热学性能,所以多用于切削工具与散热元件。嗣后在光学上的应用发展迅速。随着电子学及电子器件研究的深入极需单晶质的CVD金刚石。由于聚晶质CVD金刚石存在晶界、孪晶和层积缺陷等,可降低载流子迁移率。研究证明,单晶质CVD金刚石具有宽能带隙(5.47eV)、高暗电阻(室温下)、高击穿电压、高饱和漂移速度、高载流子迁移率和高导热率等优异性能,是制作能产生特定作用的电子器件的理想材料。但是,CVD金刚石在生长过程中产生的瑕疵仍然是制作电子器件受限的因素。要成功生产出电子级CVD金刚石必须使其氮的残留量降低到1PPb以下[8]。据报道,最近对电子级的CVD金刚石材料的研发已有所突破,不过具体应用到电子器件上尚有许多问题待解决。目前某些能产生特定作用的器件一直是采用同质外延化学气相沉积法将金刚石沉积生长在天然金刚石或人造金刚石基体上,而未见有采用异质外延化学气相沉积法使金刚石沉积生长在非金刚石基片上的报道。据称,高度定向化学气相沉积法和异质外延化学气相沉积法有可能改善电子器件的性能。此外,进一步提高化学气相沉积速度以降低成本、降低沉积温度以便将金刚石沉积生长在低熔点材料之上,完善受控的n型和P型掺杂金刚石的研制以扩大应用范围以及金刚石在微米或亚微米几何形状范围内定形沉积生长以满足微电子器件之需等等问题都有待研究解决。目前CVD金刚石在压电效应、场效应、电子发射和平面显像等器件的应用也备受关注。用CVD金刚石制作化学和生物传感器在水处理和化学工业上都会有重大作用。
现代航空航天技术和军事工程所急需的高温下工作可靠的大功率开关等大功率电子器件、大功率激光窗口、大功率微波窗口等,采用传统材料遇到了极大挑战。目前元素6公司正积极研制单晶质CVD金刚石以取代传统材料。
现代X光源的发展趋势是具有更大的亮度,也就是说从较小光源放出已知波长的更多的光系,使射束光学元件上每平方毫米具有较高的(约数百瓦的)功率密度。目前此类光学元件包括滤光器、光学窗口、相移片、光束分裂隙和单色光镜等,多采用硅材料。随着功率密度的增大,CVD金刚石必将成为首选之材料。因为CVD金刚石的吸光系数小于硅,而且有更好的导热率和较小的热胀系数。关键是生产出优质表面和相当块度的CVD金刚石。
应用同步回旋加速器乃当代极为重要的科学研究手段,在高能物理学、生物学、化学、材料学等的研究中都有重要作用,如研发新型药物、新型材料、纳米技术等等。CVD金刚石在同步回旋加速器中的应用除了单色光镜和相移片等之外,应用于金刚石光学元件作为第二代光源正在积极研究之中。据认为,金刚石是能够满足地球上从未产生过的最亮光的唯一材料[9]。真正的单光子源在量子编码系统中提供绝对安全性(可靠性)是必不可少的。目前,在室温条件下能可靠产生单光子发射的唯一材料也是金刚石[10]。
现代计算机技术的发展预示着量子计算机极有可能解决目前需用大量计算机和长时间才能解决的问题。对量子计算机最常提出的应用就是密码分析,即密码破解。
量子计算机的核心是基本量子逻辑元件,类似于普通计算机的二进逻辑门。但是制造可行的量子存储量单元和量子逻辑门难度极大,量子计算机技术所依据的是量子效应,例如所谓的“叠加”现象只发生在原子大小范围,因此计算机执行程序的装置也必须是同等尺寸的。这就是金刚石有可能起关键作用之所在。未来的量子计算机将以光学方式相互连通与传输信息,因而运算将更快捷更安全。比如说在信用卡和存储单元中载有的信息可应用量子密码学译成密码。采用CVD金刚石作为单光子源是完全有可能实现的。2008年3月美国物理学会举办过一次关于量子计算机整机电路的研讨,会上展示出一个CVD金刚石环,是用作产生与检测单光子的元件,其直径只有5微米,厚度也只有300纳米[11]。
须指出的是,在CVD金刚石的应用研究中,其结晶形态至关重要。无论是在光学上、热学上或电子学上的应用都要求元件表面尽可能光洁平滑。如何在CVD金刚石沉积生长过程中提高其成形时的光洁度或者在成形后提高研磨抛光技术都还有大量研究工作要做。元素6公司目前正参与一项重大的欧洲研究计划进行研制极端条件下使用或工作的新型特殊材料以满足高端前沿科学技术发展之需。
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上半年俄金刚石开采量居世界前列
据俄罗斯国际文传电讯8月12日报道,上半年俄金刚石矿石开采量达到1834.9万吨,以克拉计算同比增长4.3%,以价值量计算达到12亿美元,同比增长0.6%。与去年下半年环比,开采量下降5%。
据“金伯利进程”(针对毛坯钻进出口贸易的监管制度)资料显示,2008年,俄罗斯金刚石开采量已重居世界前列,位博茨瓦纳之后为世界第二。2008年9月之前,金刚石原材料价格一直在快速增长,后由于金融危机影响,一些大的国际公司开始减少市场供应量。目前俄罗斯97%的金刚石原料由“АЛРОСА”公司开采。
用金刚石磨头治疗冠心病湘雅开湖南先河
众所周知,金刚石磨头研磨坚硬物易如反掌。8月9日上午,中南大学湘雅二医院介入治疗中心在湖南首次采用冠状动脉旋磨仪成功治愈两名“瓷器”冠心病患者,两名病友对医师树起大拇指感激道:“你们真了不起,真是有了金刚钻,不怕瓷器活!”
7月6日,肖某慕名来到湘雅二医院治疗。经进一步诊断,肖某冠状动脉狭窄的同时伴有冠状动脉严重钙化,冠状动脉像瓷器一样又硬又脆。如果按常规手术处理,手术风险较大,严重则导致其冠状动脉破裂,危急肖某的生命。另一名患者68岁的王某和肖某的病情如出一辙。诊断明确,该院周胜华教授、沈向前教授、胡信群副教授进一步认真研究两名患者的手术方案,决定采用高科技手段——冠状动脉旋磨术,替他们进行冠状动脉旋磨手术。8月9日上午,经过3个多小时,肖某和王某均顺利完成手术。
据湘雅二医院介入治疗中心胡信群副教授介绍,冠状动脉旋磨术是微创手术的一种。这种手术是通过将一根带有金刚石磨头的导管送到患者心脏冠状动脉钙化的部分,磨头以超高的转速将钙化部分磨掉,钙化碎屑比红细胞还小,碎屑将随着全身血液的流动而逐渐被清除,为患者心肌的血流打开了通道。手术的成功开展,使冠状动脉介入治疗技术更趋完善。像肖老先生这样动脉严重钙化、血管堵塞严重的冠心病患者,采用此技术就可以得到很好地治疗。
金刚石生产工艺流程
金刚石生产工艺一、生产工艺流程
二、生产工艺简介 1、将原料叶腊石，按粒度为16目、24目，80目分选，然后按2：6：3的比例混合，混合后 在280 0C温度条件下焙烧l小时后制成内腔为中20mm的合成腔体，将破片的杂质和粉尘去掉，将触媒清洗后置入烘箱保持”℃恒温。 2、在内腔为中20 mm的合成腔体内分层交替装入碳片，触媒，两端客为两个碳片、碳片为 15片.触媒为12层，在两端的两个碳片外各装一个导电铜圈制成合成块，将合成块置于烘箱内，使之处于140℃恒温状态，保持9小时。 3、将烘过的合成块装入压机内，在压力为110MPa -120MPa,温度为1400℃-1500℃的条件下 保持12分钟将破转化为金刚石。 4、将压机内的合长块取出，进行破碎，使金刚石颗粒和内部杂质暴露。 5、电解法去除金属介媒，合成棒作为阳极，硫酸盐作为电解液，惰性阴极，化学反应式： 阳极：M－ne→Mn+ 阴极：Mn+＋ne→M M表示Ni、Co、Mn等金属原子；Mn+表示相应的n价金属离子。 6、将电解完的物料放入球磨机进一步粉碎，使金刚石颗粒和石墨进行分离。 7、将球磨完的物料放入摇床进行石墨分离，该工艺主要利用金刚石和石墨在密度上的差异， 在往复摇动的倾斜工作面上，流体对其冲刷实现分离。 8、分选完的金刚石放入酸水中，进一步去除金属杂质，利用销售和王水等强氧化性酸，和金 属反应生成可溶性盐，经水洗即可去除金属杂质，化学反应式： 3Ni＋2HNO3＋6HCl＝3NICl2＋2NO↑＋4H2O 3Co＋2HNO3＋6HCl＝3CoCl2＋2NO↑＋4H2O 3MN＋2HNO3＋6HCl＝3MnCl2＋2NO↑＋4H2O 9、除叶腊石，将酸洗过的金刚石物料加入氢氧化钠进行高温煮沸，化学反应方程式： Al2(Si4O10)(OH) ＋10NaOH→△→2NaAlO2＋4NaSiO3＋6H2O 10、将碱洗过的物料进行烘干，烘干后使用不同目数的筛子进行筛分分级，筛分后使用选型机进行等级分选。 11、将筛分选型好的物料按照每袋1万克拉进行包装入库。
材料制备方法
陶瓷基复合材料的制备 摘要：现代陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀及重量轻等许多优良的性能。但是，陶瓷材料同时也具有致命的缺点，即脆性，这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。 因此，陶瓷材料的韧性化问题便成了近年来陶瓷工作者们研究的一个重点问题。现在这方面的研究已取得了初步进展，探索出了若干种韧化陶瓷的途径。其中，往陶瓷材料中加入起增韧作用的第二相而制成陶瓷基复合材料即是一种重要方法。 一．基体与增强体 1.1基体 陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，这是一种包括范围很广的材料，属于无机化合物而不是单质，所以它的结构远比金属合金复杂得多。现代陶瓷材料的研究，最早是从对硅酸盐材料的研究开始的，随后又逐步扩大到了其他的无机非金属材料。 目前被人们研究最多的是碳化硅、氮化硅、氧化铝等，它们普遍具有耐高温、耐腐蚀、高强度、重量轻和价格低等优点。 1.2增强体 陶瓷基复合材料中的增强体，通常也称为增韧体。从几何尺寸上增强体可分为纤维(长、短纤维)、晶须和颗粒三类。 纤维:在陶瓷基复合材料中使用得较为普遍的是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等； 晶须为具有一定长径比(直径0.3~1μm,长0~100 μm) 的小单晶体。晶须的特点是没有微裂纹、位错、孔洞和表面损伤等一类缺陷，因此其强度接近理论强度。 颗粒：从几何尺寸上看，颗粒在各个方向上的长度是大致相同的，一般为几个微米。颗粒的增韧效果虽不如纤维和晶须。但是，如果颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择适当仍会有一定的韧化效果，同时还会带来高温强度，高温蠕变
性能的改善。所以，颗粒增韧复合材料同样受到重视并对其进行了一定的研究. 二．纤维增强陶瓷基复合材料 在陶瓷材料中，加入第二相纤维制成复合材料是改善陶瓷材料韧性的重要手段，按纤维排布方式的不同，又可将其分为单向排布长纤维复合材料和多向排布纤维复合材料。 2.1单向排布长纤维复合材料 单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料的显著特点是它具有各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大优于其横向性能。 在实际构件中，主要是使用其纵向性能。在单向排布纤维增韧陶瓷基复合材料中，当裂纹扩展遇到纤维时会受阻，这时，如果要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。 2.2多向排布纤维复合材料 单向排布纤维增韧陶瓷只是在纤维排列方向上的纵向性能较为优越，而其横向性能显著低于纵向性能，所以只适用于单轴应力的场合。而许多陶瓷构件则要求在二维及三维方向上均具有优良的性能，这就要进一步研究多向排布纤维增韧陶瓷基复合材料。 二维多向排布纤维增韧复合材料的纤维的排布方式有两种：一种是将纤维编织成纤维布，浸渍浆料后，根据需要的厚度将单层或若干层进行热压烧结成型。这种材料在纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂直于纤维排布面方向上的性能较差。一般应用在对二维方向上有较高性能要求的构件上。 另一种是纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度。这种三维多向编织结构还可以通过调节纤维束的根数和股数，相邻束间的间距，织物的体积密度以及纤维的总体积分数等参数进行设计以满足性能要求。 2.3制备方法 目前采用的纤维增强陶瓷基复合材料的成型主法主要有以下几种： 1．泥浆烧铸法 这种方法是在陶瓷泥浆中分散纤维。然后浇铸在石膏模型中。这种方法比较古老，不受制品形状的限制。但对提高产品性能的效果显著，成本低，工艺
金刚石材料的功能特性研究与应用
陶瓷专题 金刚石材料的功能特性研究与应用 高 凯,李志宏 (天津大学材料科学与工程学院,天津 300072) Study and Application on Functional Properties of Diamond Materials GAO Kai,LI Zhi hong (S chool of M ater ial S cience and Engineer ing,T ianj in Univer sity,T ianj in300072,China) Abstract:Functional properties of diamo nd mater ials and its study and application recent years on w ide bandg ap semiconducto rs,ultraviolet detectors,sing le pho to n source for quantum computer,so nic surface diffusion and electronic encapsulatio n w ere reviewed in this paper,and other po tential application on func tional proper ties of the diamond materials w ere expected. Key words:Diamo nd,Functional proper ty,Study,Application 摘要:本文综述了金刚石的功能特性及其近年来在宽禁带半导体、紫外探测器、量子计算机用单光子源、声波材料和电子封装等方面的研究与应用进展,并对金刚石材料在其它功能特性方面的开发与应用前景提出了展望。 关键词:金刚石;功能特性;研究;应用 中图分类号:TB33 文献标识码:A 文章编号:1002-8935(2010)04-0009-05 金刚石是目前工业化生产的最硬材料,其前通常利用其硬度特性广泛地作为加工、研磨材料。但它除了具有高硬度之外,其许多优异特性被逐渐发现和挖掘,如室温下高热导率、极低的热膨胀系数、低的摩擦系数、良好的化学稳定性、大的禁带宽度(5 5eV)、高的声传播速度、掺杂诱导的半导体特性以及高的光学透过率,使其在机械加工、微电子器件、光学窗口及表面涂层等许多领域有着广阔的应用前景。因此,金刚石材料的功能特性研究与应用引起了人们极大的兴趣,并在很多领域取得了突破和进展。 1 在宽禁带半导体方面的研究与应用 金刚石作为一种宽禁带半导体,在光电子学中的应用前景无疑是最引人注目的。但是由于n型金刚石半导体掺杂存在着一定的困难,使制备同质结的困难加大,目前领先的依然是麻省理工学院有关于金刚石薄膜p n结的研究[1],2001年麻省理工学院的Koizumi等第一次制备了金刚石薄膜p n结,在金刚石单晶的(111)面上以同质外延生长的方法制备了两层金刚石薄膜,p型半导体使用B元素掺杂金刚石薄膜而成,n型半导体则以P元素掺杂制备,然后他们对这个装置进行了改进,在施加20V 偏压电路的情况下,装置被激发出了紫外光,并且指出,该装置可以在高温下运作。Alexo v A等[2]则在掺杂B元素后的金刚石薄膜上用同质外延法制备了一层掺杂N元素的金刚石薄膜,但是并没有详细报道此p n结的电致发光等特性。之后有关同质结的报道很不常见,估计主要是还是因为金刚石n型半导体掺杂的可重复性存在着一定的困难所致,目前报道都集中于金刚石半导体异质结上,比如,已在Si晶片上生长含B金刚石薄膜[3],或者是制备肖特基二极管(Schottky diodes)和场效应晶体管(Field effect transisto rs,FET)。 1987年化学气相沉积(CVD)法制备含B金刚石薄膜的方法并不完善,所以Geis等[4]用合成含B 金刚石单晶的方法制备了由W元素接触的首个金刚石肖特基二极管,并在700下考察了样品的性能,确定了样品具有很高的击穿场强。同一课题组的相关人员进一步考察了不同金属元素接触对金刚石肖特基二极管性能的影响[5],大量的工作表明,使用Al,Au,H g元素作为含B金刚石的表面接触元
关于人造金刚石的制备与合成
关于人造金刚石的制备与合成 1目的与意义 钻石，是珠宝中的贵族，它通明剔透，散发着清冷高贵的光辉，颇有“出淤泥而不染的气质。钻石亦被称为金刚石，是自然界最坚硬无比的物质，人造金刚石不仅可以加工成价值连城的珠宝，在工业中也大有可为。它硬度高、耐磨性好，可广泛用于切削、磨削、钻探；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，在电子工业中也得到广泛应用。 1、制造树脂结合剂磨具或研磨用等 2、制造金属结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具或研磨用等 3、制造一般地层地质钻探钻头、半导体及非金属材料切割加工工具等 4、制造硬地层地质钻头、修正工具及非金属硬脆性材料加工工具等 5、树脂、陶瓷结合剂磨具或研磨等 6、金属结合剂磨具、电镀制品。钻探工具或研磨等 7、剧切、钻探及修正工具等[1] 2设计基本原理 石墨在一定的温度和压强下是会发生结晶变态从而变成金刚石，且石墨的温度和压强要在金刚石的热稳定性区域内，其动力学要满足一定的关系。 3设计内容（方案） 3.1原材料的选择 金刚石是石墨结晶变态产生的，其石墨是主要原料，转变过程的反应压力和温度必须不低于190 000kg/cm2 和∽3900℃[2]，这一推测的正确性已为实验所证实。不过目前要得到这样高的压力和温度的设备是非常困难的。所以需要加入触媒材料来降低石墨的活化能。 3.2制备与合成方法 3.2.1压力控制 人造金刚石压机生产工艺要求加压控制根据合成材料的不同分2～6段超压、保压，超压到90 MPa左右，再保压几分钟后卸压，完成一个工序，时问为几分钟到十几分钟。可根据工艺要求任意设为多段，由现场人机界面随时输入修改。加压闭环控制系统将压力传感变送器所测的油液压力信号与计算机中预设的压力控制工艺曲线进行分析比较，经过高级控制算法处理后，控制液压泵组和液压阀组的工作状态，使系统的压力工作状态跟踪给定压力工艺曲线。被控对象油路压力是由电动机带动增压器增压的，要求系统在几分钟内将油路压力从lO Pa左右分几段提升到90 MPa左右，并且超调不能大于0．3 MPa。控制速度要快，控制精度要高。因此超压采用主泵开关控制，保压采用副泵补压模糊PID控制。 模糊控制具有控制速度快、过程参数的变化适应性强、可靠性高、不受工作环境影响、鲁棒性好、灵敏度高、不需要精确数学模型等特点。但模糊控制的稳态精度较差，故采用模糊一PID复合控制的方法，以提高模糊控制的精度[3][7][8] 3.2.2温度控制 人造金刚石压机生产工艺要求加热控制是在超压达30 MPa以后开始的，加热控制也分加温、保温几段进行，几分钟或十几分钟后停止加热。加热控制系统将加热电压和加热电流采样信号相乘得到功率测量值，与计算机预设的加热功率工艺曲线进行分析比较，经高级控制算法处理后，通过控制功率可控硅的导通角来控制大电流加热变压器的输出电压和输出电流，使系统的加热功率满足工艺要求。被控对象合成块为叶腊石作触媒内装石墨，为电阻性负载。由于采用变压器降压和升流，串入了电感性负载，容易引起超调和振荡。合成块的温度是根
人造金刚石应用潜力巨大
图1、人造金刚石的工业应用领域非常广泛 数据来源：不断发展的金刚石合成与应用技术、湘财证券研究所 图2、人造金刚石的主要国内厂商
数据来源：湘财证券研究所
资产负债表单位:百万元利润表单位:百万元会计年度2009 2010E 2011E 2012E 会计年度2009 2010E 2011E 2012E 流动资产105 135 119 162 营业收入184 261 444 666 现金58 100 67 90 营业成本101 144 244 366 应收账款9 0 0 0 营业税金及附加 2 3 4 7 其他应收款 3 4 6 9 营业费用 4 5 8 12 预付账款 4 10 15 24 管理费用16 21 36 53 存货25 15 19 21 财务费用 1 -1 -3 -3 其他流动资产 6 7 12 18 资产减值损失0 0 0 0 非流动资产309 501 682 854 公允价值变动收益0 0 0 0 长期投资0 0 0 0 投资净收益0 0 0 0 固定资产230 390 553 712 营业利润59 90 155 230 无形资产27 35 41 48 营业外收入 3 4 4 4 其他非流动资产52 76 88 94 营业外支出0 0 0 0 资产总计414 637 802 1016 利润总额61 94 158 234 流动负债32 46 75 91 所得税9 14 24 35 短期借款0 0 10 0 净利润52 80 135 199 应付账款8 13 20 31 少数股东损益0 0 0 0 其他流动负债24 33 45 60 归属母公司净利润52 80 135 199 非流动负债71 0 0 0 EBITDA 60 105 177 262 长期借款70 0 0 0 EPS（元）0.46 0.52 0.89 1.31 其他非流动负债 1 0 0 0 负债合计102 46 76 91 主要财务比率 少数股东权益0 0 0 0 会计年度2009 2010E 2011E 2012E 股本114 152 152 152 成长能力 资本公积121 853 853 853 营业收入18.6% 42.2% 70.0% 50.0% 留存收益77 157 291 490 营业利润20.0% 52.5% 72.5% 48.8% 归属母公司股东权益312 1161 1296 1495 归属于母公司净利润27.1% 51.7% 69.2% 47.9% 负债和股东权益414 1207 1372 1586 获利能力 毛利率(%) 44.9% 45.0% 45.0% 45.0% 现金流量表单位:百万元净利率(%) 28.6% 30.5% 30.3% 29.9% 会计年度2009 2010E 2011E 2012E ROE(%) 16.8% 6.9% 10.4% 13.3% 经营活动现金流57 118 159 237 ROIC(%) 15.9% 15.4% 19.3% 23.2% 净利润52 80 135 199 偿债能力 折旧摊销0 16 25 35 资产负债率(%) 24.7% 3.8% 5.5% 5.7% 财务费用 1 -1 -3 -3 净负债比率(%) 68.36% 0.00% 13.48% 0.00% 投资损失0 0 0 0 流动比率 3.31 2.97 1.59 1.78 营运资金变动0 26 2 6 速动比率 2.52 2.64 1.33 1.55 其他经营现金流 3 -3 1 0 营运能力 投资活动现金流-102 -206 -206 -207 总资产周转率0.47 0.50 0.62 0.73 资本支出102 200 200 200 应收账款周转率20 57 - - 长期投资0 0 0 0 应付账款周转率11.79 14.16 14.75 14.17 其他投资现金流0 -6 -6 -7 每股指标（元） 筹资活动现金流-4 700 13 -7 每股收益(最新摊薄) 0.35 0.52 0.89 1.31 短期借款0 0 10 -10 每股经营现金流(最新摊0.37 0.78 1.05 1.56 长期借款0 -70 0 0 每股净资产(最新摊薄) 2.05 7.64 8.53 9.83 普通股增加0 38 0 0 估值比率 资本公积增加0 732 0 0 P/E 105.52 69.58 41.13 27.81 其他筹资现金流-4 0 3 3 P/B 17.74 4.77 4.27 3.70 现金净增加额-49 612 -33 23 EV/EBITDA 93 53 31 21
等离子体合成金刚石
]等离子体合成金刚石已有12人参与 这个方法是一个俄罗斯人首先提出的，由此可见俄罗斯人的确很牛。 这种方法可以合成大面积金刚石薄膜，大面积哦，这是由于现在可以得到很大规模的等离 子体，所以这种方法在研究领域可谓不可多得，只用甲烷就可以得到大面积的金刚石。CVD金刚石可以用各种方法合成，其中晶粒生长速度最快的则为热等离子体CVD工艺。我们试验室过去曾试图用DC等离子体CVD工艺合成金刚石厚膜，并就膜与基底的附着强度 和膜的性质作过探讨。但是，热等离子体工艺存在沉积面积和膜质量都不如其它CVD工艺 等问题。CVD金刚石薄膜应用中对扩大沉积面积有着强烈的需求。 金刚石在所有已知物质中具有最高的硬度、高耐磨率、良好的抗腐蚀性、低的摩擦系数、 高的光学透射率(对光线而言从远红外区到深紫外区完全透明) 、高的光学折射率、高空穴 迁移率、极佳的化学惰性,既是热的良导体,又是电的绝缘体,掺杂后可形成P和N型的半导体。金刚石有如此多优异性能,因而在国民经济上有着广泛的用途。金刚石从真空紫外光波 段到远红外光波段对光线是完全透明的，因此金刚石膜作为光学涂层的应用前景非常好， 可用作红外光学窗口和透镜的保护性涂层。以及在恶劣环境下工作的红外在线监测和控制 仪器的光学元件涂层。在工业制造领域，需要大量轻量化、高强度的材料，用具有高硬度、高耐磨性的金刚石制成的刀具有长寿命、高加工精度、高加工质量等优异特性，而将金刚 石薄膜直接沉积在刀具表面不仅价格大大低于聚晶金刚石刀具，而且可以制备出具有复杂 几何形状的金刚石涂膜刀具，在加工非铁系材料领域具有广阔的应用前景。金刚石在室温 下具有最高的热导率，又是良好的绝缘体，因而是大功率激光器件、微波器件、高集成电 子器件的理想散热材料。金刚石能掺杂为P和N型的半导体,与现有半导体材料相比，具有最低的介电常数，最高的禁带宽度，较高稳定性,很高的电子及空穴迁移率和最高的热导率,性能远优于Si半导体,是替代Si的理想材料。它有可能用于制备微波甚至于毫米波段超高 速计算机芯片，高电压高速开关及固体功率放大器，而工作温度更可达600摄氏度。金刚 石制备电子器件的应用已取得了初步的结果，如金刚石薄膜发光管、金刚石薄膜场效应管、金刚石薄膜热敏电阻等金刚石制备电子器件的应用。但天然金刚石价格昂贵、数量稀少，
金刚石线在多晶产业的应用
金刚石线在多晶产业的应用 目前金刚石线在多晶切割中的技术瓶颈已基本解决，生产正快速转换为金刚石线切割。 （一）金刚石线在多晶产业应用中的现状及未来趋势： 1、历史：金刚石线切割多晶硅片面临断线风险和制绒困难两大问题： （1）断线：铸锭晶体中存在的硬点可能会在切割过程中造成断线; （2）制绒：金刚石线固结切割方式导致切割后的硅片表面损伤程度较浅、表面划痕密，从而导致了更高的反射率损伤层浅，沿用现行酸性湿法制绒后依然存在较高的反射率，制成电池后效率比砂浆切割硅片低了将近0.4 个百分点。 2、现状：金刚石线+黑硅的组合技术能基本解决这一问题； 3、未来：主要多晶硅企业开始大规模推广金刚石线+黑硅技术推广，预计2018年将基本完成对砂浆切割的替换。但无论如何，在多晶硅行业技术升级和成本下降的巨大压力推动下，金刚石线切割技术通过叠加黑硅技术在多晶领域已经开始获得规模化应用。考虑到原有砂浆切割资产投入较大，而金刚石线改造成本较低，大部分多晶硅企业可能采用对原有设备进行改进的方式（二）黑硅制绒技术 近几年，主要多晶硅企业开始探索解决的办法，一种比较受认可的途径是，在多晶硅电池片环节采用黑硅技术。黑硅电池，核心是通过刻蚀技术，一方面在常规硅片表面制绒的基础上形成纳米级的小绒面，从而加大陷光的效果降低反射率，增加对光的吸收；另一方面，通过二次刻蚀来降低表面复合，从而将常规电池的转换效率绝对值提高。
黑硅制绒特点： 硅片选择性不强；更低的表面反射率；电池组件产品外观优秀；电池表面钝化技术难度增加；需考虑组件CTM损失匹配。 黑硅制绒实现方式： 反应离子刻蚀法（RIE）；金融辅助化学腐蚀法（MACE）；图形掩膜化学腐蚀法；激光法。 1、干法RIE黑硅 干法黑硅实现模式有三种： （1）RIE模式：物理轰击＞化学反应，行程类金字塔形貌； （2）ICP模式：化学反应＞物理轰击，行程类似倒金字塔形貌；
人造金刚石合成
人造金刚石合成工艺基础 一、序言 人造金刚石晶体生长技术是最近几年才发展起来的一门新技术，它与晶体生长、结晶学、高压、固体物理学、化学热力学和化学动力学是紧密联系着的，尤其是晶体生长和高压物理学最为密切。 近代，随着高压物理学的深入研究和超高压技术的迅速发展，人造金刚石晶体生长技术也就很快地为人们所掌握了。这一研究之所以为世界科学工作者给予如此重视，其原因不仅是因为金刚石硬度在工业上具有突出作用，更重要的是它具有技术的先进性和经济的合理性(与天然金刚石比较)，以及天然金刚石是一种极其稀有的非金属矿物，根本不能长期满足科学技术飞跃发展的需要要求等客观原因所致。 近百年来，人们力图能够获得合成金刚石这一强烈愿望，给超高压高温技术的研究起着极大的推动作用，如所周知，超高压高温技术的进一步提高，不仅对金刚石合成技术和理论的研究具有实际意义，同时也为促使其它学科(如实验地质学)的深入研究和探索新物质开辟了广阔途径。 从所发表的有关资料来看，人造金刚石合成技术的研究中心已在好些国家建立起来，正在大力展开这方面的研究工作，并取得显著成效。这一技术轮廓虽有透露，但关键性的细节问题仍属保密，有待我国科学工作者去研究解决。因此，我们认为: 1.天然金刚石不能满足科学技术发展的要求，必须走人工合成之路； 2.从国内天然资源少，需求量多，必须迅速地掌握人造金刚石晶体生长这一 门新技术； 3.为了给人造金刚石新品种的发展提供一套完整的工艺规程，必须在实验室 中进行创造性的实验研究工作； 4.为了给实验研究工作提供一些方向性的资料，特将收集到的国外有关人造 金刚石合成技术资料，工艺资料加以整理分析，编写了“人造金刚石合成工艺基础”。 二、人造金刚石研究简史 1880年英国化学家Hannery，1894年法国著名物理学家Moissan和1935～1940年美国杰出高压物理研究者P.W.Bridgman等几个著名的和具有代表性的实验，对20世纪50年代人们掌握人造金刚石合成技术做出了贡献。清楚地证明，人造金刚石的合成过程必须是一个超高压、高温同时并举的过程，也就是说，祗有在超高压高温同时存在的条件下金刚石生成才有可能。关于这点，当然从天然金刚石的形成也会使我们这样想。P.W.Bridgman的试验告诉我们，在人造金刚石晶体生长的研究中，除首先必须考虑这一转变的可能性，但更重要的是研究使可能性变为现实性的具体条件，也就是我们常说的反应速率问题。 三、石墨—金刚石转变过程中热力学条件分析及其平衡曲线的讨论
金刚石合成理论及工艺
前言 1、金刚石的性质与用途。 金刚石就是一种在机械、热学、光学、化学、电子学等方面具有极限性能的特殊材料。图1为金刚石的空间晶格的一个晶胞。与其她材料相比,金刚石具有最大的原子密度(176 atoms/nm3),最大可能的单位原子共价键数目(4),极强的原子键合能(7、4eV)。这使得金刚石具有许多极限性质:最高硬度,最高热导率,最高传声速度,最宽透光波段,抗强酸强碱腐蚀,抗辐射,击穿电压高,介电常数小,载流子迁移率大,既就是电的绝缘体,又就是热的良导体,而掺杂后又可成为卓越的P型或N 型半导体。 人造金刚石的应用领域十分广泛,几乎涉及国计民生的各个领域,小到家庭装修,大到微电子及航空航天等高技术领域。金刚石的推广应用在光学玻璃冷加工、地质钻探、陶瓷、汽车零件等机械加工,金属拉丝等方面引起了个革命性的工艺改革。表1列出了金刚石的一些极限性能与用途。 表1 金刚石的一些极限性能与用途 性能应用 机械硬度(kg/mm2) 金刚石5700~10400 cBN 4700 SiC 1875~3980 Al2O32080 用于所有非金属材料的超硬磨料 热学温度传导率(Wm-1k-1) 金刚石600~2100 氧化铍220 银428 铜401 电子设备的温度管理部件 光学光学透明性用在热学影像中有良好机械特 图1 立方金刚石的晶胞空间结构示意图
2.人造金刚石合成的历史 由于金刚石的优越性质,长期以来它一直成为人们感兴趣的研究对象。早在1772年,法国化学家Antoine L、Lavoisier发现金刚石燃烧的产物就是CO2,1792年,S、Tennan发现金刚石就是碳的一种结晶形态。从此,人类开始了对人工合成金刚石的探索。1880年,J、B、Hanney从锂、骨粉与矿物油在干燥的铁管中加热合成了金刚石,现陈列于大英博物馆。1893年,诺贝尔奖获得者Henry Moissan 发展了一种方法,用电加热炉加热糖、木炭与铁至熔融,然后用水急冷做了合成金刚石的尝试,后来经证实并未获得成功。二十世纪四十年代, 另一个诺贝尔奖获得者哈佛大学的Percy Bridgman设计了许多优秀的高压设备(有的压力超过了5GPa),并指出可以用电加热结合高压来合成高质量金刚石。虽然因为没有使用触媒导致未能合成金刚石,但就是她的热力学的计算为高温高压(HTHP)合成金刚石提供了理论依据。1953年2月15日瑞典ASEA(General Electric Company of Sweden)的科学家宣称合成出人造金刚石,但由于其工作没有正式发表,没能获得广泛的承认,她们使用的就是六面顶压机,样品由Fe3C与石墨组成。人类首次真正合成金刚石就是1954年12月16日美国GE公司的H、T、Hall, F、P、Bundy, H、M、Strong, R、H、Wentorf四位科学家率先完成,她们使用两面顶压机合成了金刚石,样品由FeS与石墨组成。GE公司的科学家继续研究使用金属触媒合成金刚石,金属触媒主要由九种Ⅷa族原子(Fe,Co,Ni,Ru,Th,Pd,Os,Ir,Pt)与三种过渡族金属(Mn,Cr,Ta)。1961年,有人使用爆炸法使石墨直接转换成金刚石,1963年,GE公司首次在静态高压12Gpa下不使用任何触媒把石墨直接合成了金刚石。1970年,GE 公司的Strong与Wentorf首次合成出了宝石级大颗粒金刚石,压力与温度得到了精确的控制,碳源使用小颗粒金刚石晶体以防止石墨金刚石转化中的压力降低,晶种放在热区使碳源扩散到冷区形成新的金刚石核。
金刚石切削技术及其应用
金刚石切削技术及其应用-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
金刚石车削技术及其应用 2008/1/16/15:01 来源：慧聪网五金行业频道 1.金刚石车床的技术关键 金刚石车床与镜面铣床相比，其机械结构更为复杂，技术要求更为严格。除了必须满足很高的运动平稳性外，还必须具有很高的定位精度和重复精度。镜面铣削平面时，对主轴只需很高的轴向运动精度，而对径向运动精度要求较低。金刚石车床则须兼备很高的轴向和径向运动精度，才能减少对工件的形状精度和表面粗糙度的影响。 目前市场上提供的金刚石车床的主轴大多采用气体静压轴承，轴向和径向的运动误差在50nm以下，个别主轴的运动误差已低于25nm。金刚石车床的滑台在90年代以前绝大部分采用气体静压支承，荷兰的Hembrug公司则采用液体静压支承。进入90年代以来，美国的Pneumo公司（现已与Precitech公司合并）的主要产品Nanoform600和250也采用了具有高刚性、高阻尼和高稳定性的液体静压支承滑台。 2．金刚石车床的布局 金刚石车床的布局最初沿袭了传统车床的结构，主轴固定在床身上，横向沿台（X轴）装在纵向滑台（Z轴）上。因为纵、横滑台的导轨相互垂直，故又被称为十字滑台布局。其优点是技术成熟，结构紧凑，荷兰Hembrug公司的super-mikroturn就一直采用这种结构（图1）。十字滑台布局的缺点在于纵横两滑台运动时相互影响，当对动态精度要求高时，这种缺点就尤为突出。 金刚石车床的基本数据如表1所示。 表1金刚石车床技术参数和性能示例 最大车削直径和长度/mm400×200 最高转速r/mm3000、5000或7000 最大进给速度mm/min5000 数控系统分辩率/mm0.0001或0.00005 重复精度(±2σ)/mm≤0.0002/100 主轴径向圆跳动/mm≤0.0001
金刚石合成理论及工艺
前 言 1.金刚石的性质和用途。 金刚石是一种在机械、热学、光学、化学、电子学等方面具有极限性能的特殊材料。图1为金刚石的空间晶格的一个晶胞。与其他材料相比，金刚石具有最大的原子密度（176 atoms/nm 3），最大可能的单位原子共价键数目（4），极强的原子键合能（7.4eV ）。这使得金刚石具有许多极限性质：最高硬度，最高热导率，最高传声速度，最宽透光波段，抗强酸强碱腐蚀，抗辐射，击穿电压高，介电常数小，载流子迁移率大，既是电的绝缘体，又是热的良导体，而掺杂后又可成为卓越的P 型或N 型半导体。 人造金刚石的应用领域十分广泛，几乎涉及国计民生的各个领域，小到家庭装修，大到微电子及航空航天等高技术领域。金刚石的推广应用在光学玻璃冷加工、地质钻探、陶瓷、汽车零件等机械加工，金属拉丝等方面引起了个革命性的工艺改革。表1列出了金刚石的一些极限性能和用途。 表1 金刚石的一些极限性能和用途 图1 立方金刚石的晶胞空间结构示意图
2．人造金刚石合成的历史 由于金刚石的优越性质，长期以来它一直成为人们感兴趣的研究对象。早在1772年，法国化学家Antoine L. Lavoisier发现金刚石燃烧的产物是CO2，1792年，S. Tennan发现金刚石是碳的一种结晶形态。从此，人类开始了对人工合成金刚石的探索。1880年，J. B.Hanney从锂、骨粉和矿物油在干燥的铁管中加热合成了金刚石，现陈列于大英博物馆。1893年，诺贝尔奖获得者Henry Moissan 发展了一种方法，用电加热炉加热糖、木炭和铁至熔融，然后用水急冷做了合成金刚石的尝试，后来经证实并未获得成功。二十世纪四十年代，另一个诺贝尔奖获得者哈佛大学的Percy Bridgman设计了许多优秀的高压设备（有的压力超过了5GPa），并指出可以用电加热结合高压来合成高质量金刚石。虽然因为没有使用触媒导致未能合成金刚石，但是他的热力学的计算为高温高压(HTHP)合成金刚石提供了理论依据。1953年2月15日瑞典ASEA（General Electric Company of Sweden）的科学家宣称合成出人造金刚石，但由于其工作没有正式发表，没能获得广泛的承认，他们使用的是六面顶压机，样品由Fe3C和石墨组成。人类
金刚石在微电子技术中的应用
一）金刚石在微电子技术中的应用 微电子技术与集成技术的飞速发展，带动了硅电力电子器件的长足进步。然而，受硅材料特性的限制，在兼顾高频大功率和提高温度方面不可能有更大的突破。从大功率应用来看，制造电力电子器件的理想材料应同时具备禁带宽、载流子迁移率高、热导率大灯特点。相比之下，在众多半导体材料中，硅单晶并非理想的选择（见表2）。功率进一步发展，不应在于器件工作原理和结构的研究，必须从使用材料方面突破硅的限制开发新的领域。 表2 金刚石与GaAs、6H-SiC、Si以及GaN的性质比较
宽禁带半导体金刚石的禁带宽、击穿场强高、热导率大、介电常数小、载流子饱和速度高，综合评价不同材料的晶体管的频率和功率特性表明，金刚石不仅优于Si,GaAs等常规半导体，而且比其竞争对手6H-SiC还高出数倍。由于金刚石具有良好的导热性，主要作固体微波器件及固体莱塞器件的散热片。 在莱塞器件的二极管，CW硅雪崩二极管、碰撞雪崩渡越时间二极管和其它器件上都镶有散热片，散热片吸收这些器件工作时所产生的热。没有这样的吸收，器件的效率将会降低，甚至遭到损坏。以前都采用铜做散热片，效果并不理想，1976年美国贝尔实验室报道，利用金刚石做散热片取得了良好效果。同时，金刚石也为微型雷达和通讯设备创造了有利条件。 为了使二极管有效的工作，要求功率密度（单位体积的热耗散量）为53 W cm，或更多，并使?T保持在200℃以下。当用铜做散热片10/
时，二极管最大面积不超过42 -，它能逸散掉功率Q是10W。但 10cm 如果用金刚石散热片，对于同样的功率密度，二极管的面积可增大到-所能逸散的功率Q达100W，这就是说在微波率方面将提高10 32 10cm 倍。在雪崩二极管上镶上金刚石后，可得到大约3W的连续波功率，这个功率是镶铜的散热片的类同二极管得到的最大值的4倍。 现有各种类型不同性质的莱塞用于各种目的，半导体莱塞常用砷化镓制造，因为小型轻便具有独特的优点，但如果超过脉动方式的连续工作就存在热的逸散问题。镶在铜上的砷化镓面型莱塞为正常工作需要用液氮冷却到-132℃，而用金刚石散热片能是它在-68℃下正常工作，这就意味着器件可用干冰来冷却，而干冰制冷的设备是很简单的。 在1994年，报到了金刚石肖特基二极管工作温度可达到1000℃，非常适合高温环境下工作。金刚石双极及场效应晶体管的研究也取得了一些进展，但是金刚石双极晶体管是采用天然金刚石做的，只是为了研究，还没有商品化。因为低温低压下合成的n型参杂金刚石还没有解决（p型金刚石通过参杂早已实现，其功率可达2 -Ω，并且已 10/m 经成熟的应用做半导体器件），且掺杂后形成的n 型金刚石电导率较低，目前达不到做双极晶体管的要求。2003年7月，在美国自然杂志上报道了通过在掺硼形成的p型金刚石中加入氘元素进行氘化，把p 型金刚石转化为n型金刚石，在室温下，得到的电导率为2s/cm。该项研究成果有可能用于制作出金刚石pn结，则进一步会制作出金刚石二极管和双极晶体管以及各种电路。他们利用微波等离子体CVD法首先
金刚石生产工艺流程
金刚石生产工艺流程 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
金刚石生产工艺一、生产工艺流程
金属粉 叶腊石石墨粉叶腊石合成触媒 微量元素 合成柱合成块电导石墨电导堵头 组装 烘干 液压机 砸散 电解 球磨 筛选 酸洗 碱洗 烘干 分选 包装 二、生产工艺简介
1、将原料叶腊石，按粒度为16目、24目，80目分选，然后按2：6：3的比例混合，混 合后在280 0C温度条件下焙烧l小时后制成内腔为中20mm的合成腔体，将破片的杂质和粉尘去掉，将触媒清洗后置入烘箱保持”℃恒温。 2、在内腔为中20 mm的合成腔体内分层交替装入碳片，触媒，两端客为两个碳片、碳片 为15片.触媒为12层，在两端的两个碳片外各装一个导电铜圈制成合成块，将合成块置于烘箱内，使之处于140℃恒温状态，保持9小时。 3、将烘过的合成块装入压机内，在压力为110MPa -120MPa,温度为1400℃-1500℃的条件 下保持12分钟将破转化为金刚石。 4、将压机内的合长块取出，进行破碎，使金刚石颗粒和内部杂质暴露。 5、电解法去除金属介媒，合成棒作为阳极，硫酸盐作为电解液，惰性阴极，化学反应 式： 阳极：M－ne→Mn+ 阴极：Mn+＋ne→M M表示Ni、Co、Mn等金属原子；Mn+表示相应的n价金属离子。 6、将电解完的物料放入球磨机进一步粉碎，使金刚石颗粒和石墨进行分离。 7、将球磨完的物料放入摇床进行石墨分离，该工艺主要利用金刚石和石墨在密度上的差 异，在往复摇动的倾斜工作面上，流体对其冲刷实现分离。 8、分选完的金刚石放入酸水中，进一步去除金属杂质，利用销售和王水等强氧化性酸， 和金属反应生成可溶性盐，经水洗即可去除金属杂质，化学反应式：
金刚石的应用领域及所带来的行业革命
金刚石的应用领域及所带来的行业革命 摘要金刚石是目前在地球上发现的众多天然存在中最坚硬的物质。金刚石的用途非常广泛。 关键词金刚石工具、领域、加工、切割、器件、行业革命 一、金刚石应用领域 （1）石材 在大理石、花岗岩、人造铸石、混凝土建筑材料的切割加工和磨削加工方面，广泛使用金刚石工具。如大型圆锯和排锯，中等切边锯片，小规格的干、湿切割片，以及金刚石绳锯等。此外，还有金刚石磨辊和磨边轮，用于板材磨面和磨边。在石材开采、锯切、磨光以及现场施工全过程中，石材加工效率随着这些新型金刚石工具的应用而成倍提高。 （2）机械加工 金刚石磨具是磨削硬质金属材料的特效工具。金刚石砂轮磨削硬质金属材料比普通砂轮磨削比高1000倍，成本降低10%以上。如金刚石砂轮刃磨硬质合金刀具，可以避免用碳化硅砂轮加工时容易产生的裂纹、锯口等缺陷，刀具寿命可延长50%-100%，而且可以省掉刃磨后的抛光工序，生产效率可提高数倍。此外，在汽车工业领域，金刚石磨具取代普通磨具也是长期的趋势，而且其特别适合磨削合金工具用钢。 （3）电子电器加工 对于硬而脆的贵重半导体材料，如硅、锗、砷化镓、磷化镓等，需要通过切割和研磨加工制成小片状的半导体器件，目前最合适的方法是用金刚石切割锯片加工。用金刚石研磨抛光半导体材料，不仅效率高，而且可以达到很高的光洁度。金刚石还可以在电子电器工业中用于拉制超细金属丝导线、加工高硬度的电绝缘陶瓷材料方面。 （4）钻探与开采 在石油、煤炭、冶金、地质勘探等钻探和开采方面，广泛使用金刚石钻头。由于其硬度高、耐用，不仅能钻进最硬的岩层，而且起钻次数少，钻进快，井斜小，可小口径钻进，减轻劳动强度，节约钢材，比用硬质合金钻头总成本反而降低。 （5）光学器件（玻璃）、宝石加工 对于加工光学和精密玻璃器件所需的下料、套料、切割、铣磨、磨边以及凸、凹曲面精磨，采用金刚石磨具加工比普通磨具综合生产效率提高数倍至数十倍。加工宝石、玛瑙、玉器等方面，金刚石工具也是不可缺少的。 （6）航空航天仪表 金刚石修整条：磨削率恒定,寿命长,加工效果好,这些优点使金刚石修整条能满足当今现代化生产及加工的需求；金刚石砂带无心磨削氧化铝：砂带无心磨的主要优点是: 材料去除率高、单位切削力低、进给速度大、无需整形及修锐、安装迅速、表面速度恒定、冷却条件更好。等等 （7）计算机（芯片） 金刚石导热性能优良，用于制造新型计算机芯片;加工传统单、多晶硅芯片
金刚石微粉种类及应用
金刚石微粉种类及应用 聚晶金刚石微粉:纳米聚晶金刚石是在爆炸形成的瞬态强冲击波作用下合成的。它是以纳米晶构成的微米和亚微米级聚晶，聚晶由于各向同性，无解理面，抗冲击，抗弯强度高,因此它既具有超硬材料的硬度，同时又兼有纳米材料超常的高强度和高韧性。其双重优点构成了其独一无二的物理性能，在高新技术产业和传统支柱产业中有重要的应用。主要运用于芯片光学晶体\超精细加工、大型硅片超精抛光、表面改性等领域,球状聚晶金刚石微粉外观灰黑色，略呈金属光泽。 单晶金刚石微粉:晶体形状为规则、完整的六-八面体，有很高的强度、韧性和很好的热稳定性，抗冲击能力强。适用于制造电镀制品、砂轮、磨轮的制造，用于高档石材的抛光、雕刻、汽车玻璃、高档家具、陶瓷、硬质合金、磁性材料的加工等。 纳米金刚石微粉:纳米技术是九十年代后兴起的一个高新技术,纳米级金刚石由尺寸为纳米级,即十亿分之一米金刚石微粒组成,是近几年来用爆炸技术合成的新材料。它不但具有金刚石的固有特性,而且具有小尺寸效应、大比表面积效应、量子尺寸效应等,因而展现出纳米材料的特性。在爆轰波中合成的这种金刚石具有立方组织结构,晶格常数为(0.3562+0.0003)nm,晶体密度为3.1g/cm3,比表面积为300m2／g～390m2／g。在不同的化学处理后,金刚石表面可形成多种不同的官能团,这种金刚石晶体具有很高的吸附能力。
纳米级金刚石其它用途:配制高级研磨膏和抛光液:用于超精细加工石英、光学玻璃、半导体、合金和金属表面,能有效提高加工精度。 配制催化剂:爆轰合成的纳米级金刚石和无定形碳,有很大的比表面积,含有各式各样的表面官能团,活性很强,用其配制催化剂,可提高活性数据促进有机化合物的相互作用。 制备纳米复合结构材料:把纳米级金刚石与纳米硅粉、纳米陶瓷和各种纳米金属复合,可制造出新型的纳米结构材料,因其独特的性能,可制造半导体器件,集成电路元件和微机零件。
金刚石在生活中的运用
金刚石在生活中的运用 班级：11级地本班姓名：龙秋裕学号：2011440032 【摘要】:金刚石俗称“金刚钻”，也是我们常说的钻石。金刚石是自然界中最坚硬的物质，并且它的用途很广泛。该文就金刚石的硬度讨论金刚石的切削技术以及产物金刚石刀具。 【关键词】：金刚石刀具；切削技术；硬度；耐磨性；超密加工技术； 【正文】：首先谈的是金刚石的切削技术。金刚石超密切削技术，包括金刚石超密车切削技术和金刚石精密铣削技术，是超精密加工技术的重要组成分支，也是超精密加工技术反战最早的应用最为广泛的技术之一。金刚石超密切削技术是在超精密技术控车床上，采用具有纳米级锋利度的天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金钢石刀具单点切削加工出符合光学质量要求的光学零件。金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性及形状在现性，金刚石的超精密切削深度一般在微米量级，可加工出微米及亚微米的形状精度及纳米级表面粗超度的精密工作。 金刚石是单一碳原子的结晶体，其晶体结构属于原子密度最高的等轴面心立方晶系。金刚石晶体中碳原子间的连接键为sp3杂化共价键，具有极强的结合力、稳定性和方向性。金刚是独特的晶体结构使其具有自然界最高的硬度、刚性、折射率和导热系数，以及极高的抗磨损性、抗腐蚀性及化学稳定性。单晶金刚石的优良特性可以满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求，是理想的超精密切削刀具材料。金刚石无内部晶界的均匀晶体结构使刀具刃口在理论上可以达到原子级平直度与锋利度，切削时切薄能力强、精度高、切削力小；其高硬度及较好的抗磨损性、抗腐蚀性和化学稳定性可保障刀具具有超长寿命，从而进行较长时间的切削，并可减小因刀具磨损对零件精度的影响；其高导热系数可以降低切削温度和零件的热变形。 其次，我们谈论的是CVD金刚石薄膜的制备与应用。CVD金刚石薄膜是上世纪八十年代兴起的材料研究热点之一。它是一种高抗磨性的纯金刚石材料，不含粘接剂。金刚石沉积分为两种形式：一种是厚膜金刚石，沉积成整体的、单独的薄片，然后切割成所需尺寸；另一种是薄膜金刚石，沉积在硬质合金刀片或回转式刀具上。迄今为止，CVD金刚石最有前景的用途是加工石墨。它在光学窗口、切