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【觀察者網(wǎng)綜合報道】

科學(xué)網(wǎng)7月18日消息，以金剛石為代表的超硬材料及制品被譽為“最硬最鋒利的工業(yè)牙齒”。航空航天、國防軍工以及光伏與電子信息等領(lǐng)域里的各種高難材料加工難題，在它面前都迎刃而解。

而在科學(xué)家的眼中，單晶金剛石不光是“工業(yè)牙齒”，還是“終極半導(dǎo)體”。在7月17日召開的中國超硬材料行業(yè)發(fā)展專題研討會上，有專家甚至表示，“沒有金剛石就沒有信息產(chǎn)業(yè)”。

作為一種新材料，超硬材料引領(lǐng)著我國高端制造業(yè)的發(fā)展。

截至2017年底，我國人造金剛石產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量的90%以上，立方氮化硼產(chǎn)量已占世界總量的70%以上，我國已成為名副其實的超硬材料生產(chǎn)制造大國。

但這些材料在一些高端產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用上，我國仍有一些短板。“量小、品種多的產(chǎn)品，企業(yè)都不想干，可短板往往就在這些地方?！敝锌圃涸菏刻镉谰毖?。

網(wǎng)易新聞“了不起的中國制造”圖（下同）

有望引發(fā)新一代半導(dǎo)體技術(shù)革命

在國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會主任、中國工程院原副院長干勇看來，超硬材料是新材料領(lǐng)域的一個重要而獨特的板塊，在國民經(jīng)濟建設(shè)中有廣泛的應(yīng)用。

“工業(yè)牙齒”名不虛傳。以金剛石車刀為例，其刃口圓弧半徑可以刃磨到連掃描電子顯微鏡也無法檢測，利用它來切削加工，往往可以直接獲得鏡面。

“利用金剛石超硬的力學(xué)性能，可加工世界上所有的已知材料?！敝袊鴻C床工具工業(yè)協(xié)會超硬材料分會高級顧問李志宏告訴《中國科學(xué)報》記者，“利用其無與倫比的熱光聲電性能，可用于航天員宇宙射線防護、尖端武器裝備隱身防腐、提高導(dǎo)彈飛行速度與打擊精度、大功率激光探測，可用作大規(guī)模集成電路及LED新光源熱沉等尖端領(lǐng)域?！?

有的手機一打就發(fā)熱，溫度一高就不工作，原因是它的半導(dǎo)體元器件不耐高溫。集電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)和熱學(xué)等優(yōu)異特性于一體的單晶金剛石將解決這一問題。

金剛石電子器件相比其他半導(dǎo)體器件具有體積小、集成度高和無需制冷的優(yōu)勢。北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張濤相信，金剛石將引發(fā)新一代半導(dǎo)體技術(shù)的革命。

“默默無聞”的最前沿材料

“超硬材料是石油勘探與礦山開采、機床機械與汽車制造、軌道交通、核電、國防軍工與航空航天重大工程以及光伏與電子信息等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中不可或缺的高功能材料。”干勇說。

不過，除了業(yè)內(nèi)人士，這些并不為人們所了解。張濤打趣道：“最前沿的材料也是‘默默無聞‘的材料?！?

截至2017年底，我國人造金剛石產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量的90%以上，立方氮化硼產(chǎn)量已占世界總量的70%以上，我國已成為名副其實的超硬材料生產(chǎn)制造大國。

盡管總體上目前我國超硬材料的產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)已達世界先進水平，但干勇坦言，“在一些高端產(chǎn)業(yè)上還有短板”。

比如在硬質(zhì)合金棒料開槽砂輪領(lǐng)域，高端市場基本被美、日、德等發(fā)達國家壟斷，國內(nèi)超硬材料砂輪制備技術(shù)雖然一直在發(fā)展之中，但砂輪鋒利度和保型性這一矛盾仍是開槽砂輪的一大難題。

“量小、品種多的產(chǎn)品，企業(yè)都不想干，可短板往往就在這些地方?！敝锌圃涸菏刻镉谰毖?。

這對超硬材料行業(yè)的創(chuàng)新活力、可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成挑戰(zhàn)。為此，田永君表示，國家在重視科研的同時，也應(yīng)該向相關(guān)產(chǎn)業(yè)傾斜，高端前沿靠進口是不行的。

國產(chǎn)設(shè)備是關(guān)鍵

據(jù)清華大學(xué)材料加工工程系博士常松去年11月在網(wǎng)易新聞“了不起的中國制造”介紹，人造鉆石成本約為天然開采鉆石的一半。中國2016年人造鉆石產(chǎn)量逼近200億克拉。

中國合成金剛石在全世界占據(jù)絕對優(yōu)勢與自主研發(fā)的大型化合成壓機、優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金頂錘、粉末觸媒和間接加熱工藝（合稱粉狀工藝）的工業(yè)化密不可分。

大型化合成壓機是合成金剛石的核心設(shè)備，它要創(chuàng)造一個高溫（＞1400℃）、高壓（＞5GPa）的合成腔體，依碳元素平衡相圖，在這個腔體內(nèi)，使碳原子形成穩(wěn)定的金剛石晶體。

國外常用的是單軸向壓力機，通稱兩面頂壓機，而中國則用互成90°的三軸向壓力機，這種六面頂壓機，靠鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)承載三軸向壓力。

國產(chǎn)鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C

對于壓力機來說，最關(guān)鍵的零件就是組成合成腔的釘錘。頂錘要承受復(fù)雜苛刻的壓縮、剪切、拉伸應(yīng)力的作用，加上加熱時瞬時錘面溫度達500～600℃，要求近萬次反復(fù)使用壽命，服役條件十分苛刻。目前，頂錘材料采用WC-Co合金。

中國從1965年設(shè)計制造這種六面頂壓機，迄今整個行業(yè)幾乎全采用六面頂壓機，并且開始被國外廠商引進。

有了合成的工具，接下來就是解決原料和工藝的問題了。合成金剛石需要的材料包括石墨和金屬觸媒，從2005年開始，整個合成金剛石行業(yè)都開始使用粉狀工藝，這種工藝是將石墨粉和觸媒粉的混合粉冷壓成合成塊，隨后脫氧處理，處理后的合成塊裝入葉蠟石的合成腔體中，靠兩端導(dǎo)電帽將大電流引入纏繞在合成塊周圍的碳質(zhì)之類的薄件發(fā)熱體上，在合成塊周圍形成一個加熱爐。

功不可沒的門頭溝葉蠟石

任何材料的發(fā)展都離不開原料的支撐。葉蠟石是超硬材料生產(chǎn)必須使用且不可替代的保溫、絕緣、密封和傳壓介質(zhì)。

“我國葉蠟石礦藏雖有一定分布，但北京市門頭溝區(qū)的葉蠟石礦因特殊地質(zhì)成因被證明是最適合于超硬材料合成的。”中國機床工具工業(yè)協(xié)會超硬材料分會技術(shù)專家委員會委員崔祥仁曾對我國葉蠟石的幾大主產(chǎn)區(qū)進行了采樣調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，北京門頭溝葉蠟石的獨特性能是其他任何地區(qū)的葉蠟石無法替代的。

北京門頭溝葉蠟石屬高鋁型，其最大特點是在高溫下絕熱性與導(dǎo)壓性能較之國內(nèi)同類礦石更為優(yōu)越，物理化學(xué)性能更為穩(wěn)定。因而被最廣泛用于合成金剛石制造業(yè)，占該行業(yè)用量的98%以上。

“門頭溝葉蠟石為我國超硬材料行業(yè)的起步、發(fā)展和壯大做出了不可磨滅的貢獻”，燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究員王明智表示，“希望繼續(xù)秉持綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念，在新時代為我國超硬材料行業(yè)發(fā)展做出更大貢獻，為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出更大貢獻，為實現(xiàn)《中國制造2025》國家戰(zhàn)略目標(biāo)做出更大貢獻”。