河南郑州科学家揭秘“金刚石”神秘另一面

来源:华晶精密  发布日期:2016-04-11




      

     “ 钻石恒久远,一颗永留传”,在生活中钻石是财富和爱情的象征。而钻石呢,就是经过琢磨的金刚石

     金刚石是自然界已知最硬的物质,很多人对它们充满了好奇。在位于郑州的一个实验室,有一帮人每天和金刚石打交道,他们是研究超硬材料磨具的科学家。

  小到手机屏幕,大到航天零部件,都需要采用超硬材料磨具进行磨削加工,想把一切材料打磨好的科学家们,也为我们揭示了钻石的另一面。
  赵炯和小李,都在位于郑州高新区的超硬材料磨具国家重点实验室(简称实验室)上班。
  实验室的主要研究对象,就是金刚石(主要是人造金刚石)、立方氮化硼这类超硬材料,根据生产要求开发出超硬材料磨具。
  金刚石是自然界已知较硬的物质,在生产中,一些零部件是用钛合金制造的,耐高温的合金还有高温陶瓷加工而成,这就需要用上以金刚石为原材料的超硬材料磨具进行加工,从而让生产更加高效、节约。
  而所有的这些磨具,还广泛应用于航空航天、电子信息、汽车制造、制冷、光伏等行业零部件的精密、高效、绿色加工。

  这儿的科学家都研究啥
  要想完成高效、节约生产,离不开实验室科学家们不断攻克行业难题。比如研究“新型超硬磨具设计与先进制造技术与理论”、“超硬磨具磨削技术与理论”等。
  科学家们还需要通过对陶瓷结合剂、树脂结合剂、金属结合剂、电镀金属结合剂配方进行研究,把金刚石等制成超硬材料磨具。
  那些结合剂,其实就是黏结剂。因为金刚石和立方氮化硼都是颗粒状,都没有支撑,需要将其黏结形成块状的产品,然后再做成磨具。
  用黏合剂把金刚石黏合做成磨具,听起来那么简单,难道还需要专门的国字头实验室来做研究吗?
  回答是肯定的。之所以开发超硬材料磨具,是因为新的科技应用需要新的生产技术进行匹配生产,这就对超硬材料磨具本身的技术提出了要求。
  比如开发碳纤维机体砂轮,就用在汽车曲轴等加工上,而通过对金刚石、立方氮化硼的应用研究,也能做出打磨航天飞机发动机零部件、玻璃切槽磨具等。

  航天航空材料最需“耐磨”
  航空航天零部件,很多是用钛合金、镍合金、碳纤维等硬度很高的材料制作而成,而且做出来的零部件比较复杂。
  比如,航天航空上用的发动机零部件,有很多是先用模具压出后,再磨削以达到设计要求。而普通磨削工具对这些材料的磨削效率非常低,损耗也大,要解决这些难题,就需要超硬材料磨具。
  “其实,对超硬材料磨具的需求,还出现在手机生产中。”实验室高级工程师王志强说,从蓝宝石手机屏幕的切割磨削,到手机芯片、CPU等精密仪器的制造,都离不开这类高精密磨削工具,“像苹果、乐视、华为等手机,在一些生产过程中,都曾使用过我们实验室攻克的高精密分割技术”。

  “微米砂轮”填补国内空白
  实验室的高级工程师夏举学,主要研究方向就是蓝宝石倒边加工磨具。
  他所在的团队,会根据客户的要求做出相应的耐磨蓝宝石磨削工具,帮客户制作出达标的蓝宝石产品。
  在夏举学和他的同事眼中,蓝宝石就是氧化铝,钻石就是高品质的金刚石。在很多人的观念中,生产磨具就是做砂轮,而他们也是做砂轮。
  其实,砂轮只是一个通俗的叫法,别忘了他们的实验室名字的最前面,还有“超硬材料”四个字。他们的实验室,就是专门“啃硬骨头”的。
  据该实验室工作人员介绍,实验室各项目组攻克的难题,也曾填补多个国内空白。比如实验室研发的主要用在芯片制作前端的晶圆制作的15~60微米电镀超薄金刚石切割砂轮,“这种技术,也已达到国际先进水平,打破了长期以来国外发达国家对我国的技术封锁”。
  “以前,我们国家没有制作这类砂轮的成型、烧结工艺。”高级工程师王志强说,实验室掌握的这门技术,改变了我国电子信息产业集成电路分割用金刚石切割砂轮全部依赖进口的现状,也解决了集成电路晶圆高精密分割的技术难题,而超硬材料磨具的未来,就是对电子信息行业磨具的开发,“因为这个行业磨削类型比较多,遇到的磨削问题还有很多需要逐个攻克”。

  科学家谈钻石 详解啥是人造与天然
  接触了超硬材料磨具国家重点实验室的科学家们,忍不住会向他们了解些与钻石有关的知识。虽然,这些可能并不是他们的研究方向,但与一般人比起来,作为每天和金刚石打交道的科学家,对钻石,他们会怎么看? 
  钻石形成于地球内部的高温高压环境,因为对形成条件要求高,导致其数量稀少,在人类社会中钻石也被认为是高贵的象征。
  但在实验室工程师看来,人造钻石就是石墨同素异形转变物。
  “2014年,人造钻石开始火起来。” 实验室工程师祝小威说,生产人造钻石,需要使用六面顶压机,上下左右前后,从六个面全方位向机器中间放的石墨按审定好的升温曲线和升压曲线加热加压,“但如果仅仅是压的话,效率会比较低,这就需要触媒提高效率,提升钻石颗粒”。
  随着工艺的进步,很多金刚石生产厂家有了生产大直径钻石的能力,而纯度比较高、晶型比较好的宝石级钻石的价位,更是吸引了众多厂家加入生产人造钻石的大军之中。
  本来稀少的东西竟然开始批量生产,这些人造钻石投入市场后,对钻石的价格会产生多大影响呢?
  祝小威告诉记者,这肯定会很大程度上冲击钻石价格,未来普通钻石的价格,可能会降低三分之一。“但钻石分好多等级,宝石级的钻石还是很珍贵的”。
  祝小威透露,现在行业也在制定相关标准,就像转基因食品一样,在出售时也必须标明“哪些是人造钻石,哪些是天然钻石”,“人造钻石成品肯定比天然钻石要便宜,不过,若不借助专业的鉴定仪器,普通人很难看出天然钻石和人造钻石的区别”。
  既然普通人很难区分人造钻石和天然钻石,那么整天和金刚石打交道的科学家们能鉴别其真伪吗?
  “人造钻石在合成时,触媒的类型有很多种,其成分也不一样。而那些合成石触媒,也有可能会沁到金刚石里面,人造钻石的硬度和耐高温性,也都没有天然金刚石高。” 实验室工程师赵炯说,虽然人造钻石和天然钻石都是透明的,但因为触媒的原因,有些人造钻石成品在颜色上会和天然钻石有差别,这个比较好鉴别。但如果是纯度比较高的人造钻石,目前国内是检测不出来的,需要拿到国外一些鉴定机构去检测,才能鉴定是否为人造钻石。
  对于“为什么南非盛产钻石”这个话题,每天和钻石打交道的多位工程师认为,这是由于南非曾经是地壳运动非常活跃的地区,“地壳运动正好可以满足钻石形成所需要的高温高压条件”。
  对于陨石的成分,很多人也非常好奇,而陨石在冲向地球时会有高温,在撞击地球时也会产生压力,那么,陨石会为我们带来钻石吗?
  实验室的工程师称,陨石不仅仅在撞击地球时会有高压,其实在进入大气层时就已经承受了巨大的压力,而且在和大气层摩擦过程中,也有压力产生,这样计算下来,天然钻石产生所需要的高温高压,陨石都有,“陨石带来钻石还是很有可能的”。

                                                                                                   转载:中国超硬材料网