工业金刚石持续高景气，培育钻石未来新风口

发布时间:

2023-06-21

超硬材料通常是指硬度特别高、维氏硬度大于 40 Gpa 的材料，主要用于金属及合金材料、高硬脆材料、复合材料、软韧材料以及难加工材料的加工。同时作为一种重要的功能材料，可应用于电子电器、装备制造、航空航天、国防军工、医疗检测和治疗等高科技领域。超硬材料主要包括固有硬度与其成分相关的本征类超硬材料和固有硬度与显微结构相关的非本征类超硬材料。本征类超硬材料包括金刚石、立方氮化硼(PCBN)、氮化碳和 B-N-C 三元化合物等。非本征类超硬材料包括纳晶金刚石聚集体、聚合金刚石纳米棒等。目前常见的超硬材料有天然金刚石、人造金刚石、立方氮化硼等。

　　全球工业用超硬材料主要为工业金刚石，其中超过 90%为人造金刚石。天然金刚石矿属于不可再生资源且具有储量有限、采掘高昂以及对生态环境不友好等特点，无法被大范围应用于工业领域。因此，工业用金刚石主要为人造金刚石。人造金刚石的制备方法主要为高温高压法(HTHP)和化学气相沉积法(CVD)。HTHP 法即以石墨粉、金属触媒粉末为原料，通过电流加热和液压装置建立高温、高压环境从而模拟天然金刚石结晶和生长环境，使石墨发生相变形成金刚石晶体。从热力学上看，人造金刚石与天然金刚石生长机理类似，都是使碳原子在高温高压环境下重新结合，形成具有 sp3 C-C 键的正四面体金刚石结构。HTHP 法是人类首次成功合成金刚石所采用的技术，也是目前我国人造金刚石主要生产方法，具有制造成本低、生产效率高的特点。HTHP 法金刚石在生长过程中，传压介质和原辅材料里的杂质(如铁、钴、镍等)会不断进入金刚石晶体中，形成各种缺陷，纯度也不够理想，无法满足下游半导体和光学领域应用的高纯度要求。同时受六面顶压机设备体积限制，金刚石的有效生长空间很难突破 100 mm，HTHP 法金刚石的晶体尺寸提升空间有限。

　　化学气相沉积法(CVD)合成金刚石是指在高温低压条件下(1000℃左右，27kPa 以下)，通过一定的方法激活 CH4/H2、CH4/N2、CH4/Ar 等含碳混合气体，使其中的碳原子从碳源气体剥离并在合适的基底(如 Si、c-BN、SiC、Ni、Co、Pt、Ir 和 Pd 等)上进行过饱和沉积，从而获得高纯度、高性能的金刚石薄膜。CVD 法金刚石生长环境中主要使用碳源气体，利用氢气在高温下蚀刻石墨速度高于金刚石的特点获得单晶金刚石，不需要加入金属触媒粉末，因此金刚石内杂质极少，可满足下游半导体等领域高纯度需求。同时 CVD 法金刚石在种晶盘生长过程中，可在碳源气体中加入致色元素(如氮、硼等)，获得与天然钻石类似的粉钻黄钻蓝钻，满足下游珠宝市场的多样化需求。目前，MPCVD 法(微波等离子体化学气相沉积法)由于具有污染少、制备面积大、温度条件易控制的有点，是国内外主流的 CVD 工艺生产金刚石方法。

　　目前，我国主要采用 HTHP 法生产人造金刚石。1965 年我国自主研发的金刚石六面顶压机问世并快速在国内大规模推广使用，人造金刚石产品生产效率和产能产量快速提升，我国很快成为金刚石单晶生产第一大国;近年来，合成压机大型化、粉末触媒技术及高温高压合成工艺进一步奠定了我国在高温高压法下合成金刚石单晶的领先优势。CVD 法自 20 世纪 80 年代开始研究并工业化应用，美国、日本、新加坡等国家在化学气相沉积法(CVD) 技术研究和产业应用方面取得较多成果。HTHP 法和 CVD 法在合成原理和合成方法上不尽相同，从成本上来看 HTHP 法更低，从品质上看 CVD 法金刚石纯度更高，因此下游产业链主要应用领域也有不同侧重。我们认为，两种方法在未来一段时间会保持共同发展、相互促进的态势。

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