晶體院金剛石六十年研發

玄真武,侯 立,王亨瑞,楊志奇,趙小玻,,王玉寶,承 剛,許婉芬, 曹延新,張 怡,王曉玲,張 哲,遇海濤,魏華陽,田 龍,王增輝

(1.中材人工晶體研究院有限公司,北京 100018;2.中材人工晶體研究院(山東)有限公司,濟南 250200; 3.中材高新材料股份有限公司,北京 100102)

0 引 言

自1963年我國第一顆人造金剛石誕生至今,六十年來,我國金剛石產業經歷了從無到有、從小到大、從弱到強的過程。截至2022年,國內工業金剛石產量為142億克拉,壟斷全球95%的工業金剛石原料市場。在應用市場方面,我國工業金剛石主要應用于建筑領域和石材切割傳統領域,但是隨著航空航天、汽車等領域對工業金剛石需求的持續增加,再加上光伏、第三代半導體規?；瘧盟鶐淼凝嫶笮屡d市場的需求,金剛石領域的發展方興未艾。中材人工晶體研究院有限公司(簡稱“晶體院”)即原國家建材局人工晶體研究所,前身是建筑材料工業部非金屬礦研究所,是我國金剛石工具行業及石材行業有著旗幟性、開創性、標桿性的科研機構,業內也稱152廠。它是我國第一所專業從事人工晶體材料合成生長研究與應用技術開發的科研院所,曾經擁有人造金剛石研究室、人造金剛石工具研究室等科室和研究部門,為我國的人造金剛石及其工具,特種功能晶體的研究、生產,特別是在無機非金屬硬脆材料加工用工具的應用研究方面作出了突出貢獻,培養了姚裕成、侯立、胡為民、周育先、玄真武、王亨瑞等一大批專家學者。20世紀70年代,毛主席紀念堂、新北京飯店、中南海、釣魚臺等建筑的裝修中均出現了晶體院生產的金剛石工具的身影[1]。2023年正值晶體院建院六十周年,本文通過回顧晶體院在金剛石領域半個多世紀的發展歷程,結合該院在金剛石領域進行的大量研究工作,對金剛石產業發展中遇到的一些經驗教訓進行了總結和思索,并以此為契機對未來金剛石產業的研究與發展趨勢進行了展望。

1 研究歷程

1.1 20世紀60年代(1963—1969年)

晶體院是在聶榮臻、李先念等黨和國家領導人的親切關懷下,為保障我國在重大國防、科技領域對各種功能晶體材料的需求而成立的科研生產單位。從我國第一顆人造金剛石誕生以來,晶體院一直參與我國金剛石研發和產業發展的開創性工作。

1960年10月,當時的中華人民共和國第一機械工業部設立了代號為“121”的攻關課題組,下達了研究人造金剛石的進軍令,集中全國相關單位之力共同完成,主要包括一機部通用所、晶體院、地質部地科院、磨料所等單位。1963年,經過不懈努力,終于在兩面頂壓機上成功研制出了中國第一顆人造金剛石,其中晶體院姚裕成、熊文松作為主要研究成員在項目研制中發揮了重要作用。項目成功后,姚裕成、熊文松回到晶體院繼續從事人造合成金剛石的研究與開發工作。圖1是姚裕成介紹金剛石產品工作照及國慶50周年金剛石專題報道姚裕成事跡。

1964年,晶體院從中國地質科學院調入幾位技術人員,用小噸位材料試驗機和年輪模具合成出了金剛石,成為國內最早獨立生產人造金剛石的單位。為加速發展以人造金剛石為代表的人工晶體產業,1965年11月9日,國家科委硅酸鹽新材料組在北京召開人工晶體專業會議(簡稱“11.9會議”),確定了人造金剛石、合成云母、壓電晶體、光學晶體四大會戰項目。會議起草的“關于人工合成晶體專業會議的報告”得到聶榮臻副總理高度重視,致函國家經委、計委、科委和國防工辦負責人,建議“三委一辦”聯合轉發“11.9會議”報告,并指出:“金剛石、云母、壓電及光學晶體等是機械、電器、電子、儀器以及國防工業需用的重要材料,當前供需矛盾十分突出……這些材料的自然資源有限,進口困難,是短線戰略物資。因此,除大力尋找、合理利用天然資源外,必須迅速發展人工合成晶體?！薄叭晦k”聯合下文到有關部門,將人造金剛石(不含磨料級人造金剛石)、合成云母、人工光學晶體、人工水晶(不含高頻諧振器用壓電水晶)歸口建材部(原國家建筑工程部,于1965年分為國家建筑工程部和國家建材部)管理,進一步明確了晶體院人工合成晶體的主攻方向,使我國的人工晶體發展駛入快車道。

1.2 20世紀70年代(1970—1979年)

1970年11月3日,李先念副總理及軍委、國務院有關部委和北京市領導李德生、李強、袁寶華、陳軍、楊壽山等,在國家建委張國傳副主任、建材部白向銀副部長陪同下來到晶體院視察,參觀了人造金剛石、合成云母及其他晶體生長實驗室,鼓勵全所職工迅速將國家急需的人造金剛石、合成云母、人工水晶及光學晶體等材料的產量搞上去,并指示要邊研究邊生產。為貫徹該指示,晶體院在金剛石兩面頂合成研究、聚晶金剛石研制、金剛石工具制備等金剛石產業的各個方面都取得了突破?！叭嗽旖饎偸瘍擅骓攭簷C500噸級模具擴大腔體”“人造黑色含硼金剛石電鍍工藝”“玻璃鋼加工專用含硼人造金剛石聚晶刀具”等重要的金剛石成果通過基層技術鑒定?！叭嗽旖饎偸徠般娔スぞ摺表椖客ㄟ^了建材部部級鑒定?！昂铣山饎偸?、切、鉆、磨工具”等8項成果獲全國科學大會表彰獎。為國家一系列重大工程提供了支撐。

在兩面頂合成研究方面,晶體院在1978年完成了“含硼觸媒及含硼黑金剛石技術”成果,并在北京召開了交流會,通過含硼觸媒及含硼黑金剛石技術的應用,使兩面頂金剛石在冷靜壓強度及抗熱沖擊性能得到了提升,基于兩面頂金剛石工具指標較六面頂具有了較大的優勢。該項成果受到與會數十位代表的重視。

在聚晶金剛石方面,1972年3月,晶體院組織開始聚晶金剛石的研究,終于在經半年多的試驗后取得進展,制得直徑達3 mm、強度較好的金剛石聚晶。

在金剛石工具方面,從1971年組織小批量生產內圓切割片的研制,到1973年全面開展鋸、切、鉆、銑、磨各種金剛石工具的研制,建成了我國首條金剛石工具生產線。為突破金剛石產能瓶頸,1976年晶體院通過將多環壓配預應力結構的Belt模具改用鋼絲纏繞,將人造金剛石腔體從φ14 mm擴大到φ18 mm,單產從3克拉提高到8克拉,取得了兩面頂技術重大突破。

在國家重大工程方面,1#工程(毛主席紀念堂)的建設使用了大量大理石等高硬度的石材,其切割急需大量的金剛石工具。晶體院承擔了上級下達的為1#工程大量趕造人造金剛石鋸片的任務,在工具準備得當的情況下,最終1#工程僅用半年時間就完成了,晶體院因此獲得1#工程指揮部頒發的獎狀(見圖2(a))。同年,為提高接待外賓的能力,新北京飯店完成擴建,其所用石材的加工工具也均由晶體院制造(見圖2(b))。

1.3 20世紀80年代(1980—1989年)

1980年代,晶體院金剛石工具產業獲得快速發展,為我國金剛石產業地位的進一步提升提供了契機。經過不斷創新,適應不同加工需求的金剛石工具陸續研發成功,包括適用于混凝土、耐火材料、花崗石、大理石、石英玻璃等高硬度材料的加工工具。同時起草并審議通過“非金屬硬脆材料用節塊式金剛石圓鋸片”“金剛石薄壁鉆”“非金屬硬脆材料用節塊式金剛石圓鋸”等多項部頒標準,引領了國內金剛石工具的技術和應用方向。研發的金剛石工具項目填補了多個金剛石工具應用領域的空白?！叭嗽旖饎偸?、鉆、銑、磨工具的研制”“光學眼鏡片冷加工粗磨用金剛石球面磨具的研制”“深孔薄壁金剛石鉆頭基體的冷擠壓技術研究”“熔鑄耐火磚加工用金剛石銑磨工具”“非金屬硬脆材料用節塊式金剛石圓鋸片” “大直徑人造金剛石圓鋸片和電鍍磨邊輪的研制”等成果分別榮獲部級科技進步三等獎(見圖3)。

自1980年開始,晶體院同德國、日本等國外金剛石工具先進生產企業進行了廣泛的技術交流,通過一系列技術引進(從德國Dr Fritsch KG公司(費雷奇公司)引進了首臺全自動金剛石圓鋸片焊接設備,從日本引進了“金剛石多晶復合片及鉆頭制造中間試驗”技術項目)為我國金剛石工具產業追趕國際先進水平奠定了基礎。

圖3 金剛石產品獲科技進步三等獎(a)及國家科技成果(b)、(c)Fig.3 Diamond products obtained the third award of Science and Technology Progress (a) and national scientific and technological achievements (b), (c)

在金剛石工具方面,1985年,由晶體院金剛石制品領軍人物胡為民牽頭完成的“高耐溫黑色人造金剛石及人造金剛石切、鉆工具的開發和推廣”榮獲國家科技進步二等獎(見圖4),所研制的金剛石工具在“建材工業國內外現狀比較展覽會”上進行了展示(見圖5)。胡為民作為我國人造金剛石工具的奠基人之一,培養了一批金剛石工具專家和接班人,如后期擔任第五研究室負責人的周育先、王亨瑞、孫建民、郭建勝、阮方等。

在化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)金剛石方面,1987年,晶體院參與國家“863”計劃,這是國家首次將CVD金剛石技術列為研究內容,也標志著晶體院正式開展CVD金剛石相關的研究。1988年,侯立赴日本東京參加“第一屆國際新金剛石科技技術會議”。同年,侯立等報道了金剛石薄膜材料的研究進展,闡述了金剛石薄膜的性能及其應用前景,介紹了金剛石薄膜的部分生長方法[2]。1989年,楊佩春等[3]利用熱絲化學氣相沉積(hot filament chemical vapor deposition, HFCVD)、電子束增強HFCVD及射頻等離子體CVD方法,以甲烷、乙醇和H2的混合氣體為原料,在Si(111)及石英玻璃基片上生長出金剛石薄膜,研究發現在Si基體和金剛石薄膜之間產生Si1-x-Cx過渡層,且結晶狀態良好的合適的Si1-x-Cx過渡層有利于生長致密的金剛石薄膜。

1.4 20世紀90年代(1990—1999年)

1990年代,晶體院大力推進對外合作,引進消化吸收了金剛石工具、水霧化合金粉、HFCVD金剛石膜等先進制備技術,進行了大規模的聯營生產實踐,為金剛石產業全面發展提供了技術支撐,并成立了國內唯一一家生產人造金剛石的中外合資企業——北京金輪晶體制造有限公司(圖6為金輪公司成立簽字儀式合影)。晶體院先后研究開發了機場混凝土伸縮縫切割專業鋸片、高強度耐火磚切割及銑磨工具、薄壁工程鉆頭、適合特殊加工條件需要的干切鋸片等金剛石工具,以及為滿足石材裝飾大板加工需要配套的進口先進石材加工設備及大料加工的1 600 mm以上的大直徑圓鋸片、金剛石排鋸、銑磨、拋光等系列金剛石工具;研發了適合半導體材料加工的金剛石超薄切割片,形成鋸、切、鉆、銑、磨及電鍍人造金剛石全系列工具,國內建立多個基地(玉田)、金剛石工具(四川郫縣)聯營廠及大直徑鋸片焊接點,年銷售達到2 700余萬,市場占有率達到60%以上,得到了宋健等國家領導人的高度評價(圖7為1990年6月19日,時任國務委員兼國家科委主任宋健到晶體院視察工作與所專家和領導的合影)。

圖5 1985年時任國家建材局局長林漢雄(右1,后升任 建設部部長)在“建材工業國內外現狀比較展覽會” 上向國務院副總理方毅(右2)介紹晶體院所生產的 金剛石鋸片,右3為國家建材局副局長王燕謀 (后接林漢雄局長,升任國家建材局局長)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

圖6 北京金輪晶體制造有限公司成立簽字儀式 (時任對外經貿部副部長俞曉松,前排右4;時任國家建材局 局長王燕謀,前排右8;晶體院所長夏侯諒,右1; 晶體院副總工程師姚裕成,右3)Fig.6 Signing ceremony for the establishment of Beijing Jinlun Crystal Manufacturing Co., Ltd.

圖7 1990年6月19日,時任國務委員兼國家科委主任宋健到晶體院視察工作,并與專家和領導合影留念(宋健,前排右6; 中國工程院院士沈德忠,前排右5;國家級專家黃朝恩,前排右4;時任國家建材局副局長李儉之,前排右3; 時任中國無機非金屬材料科技實業總公司總經理王祖德,后排右2;晶體院所長夏侯諒,后排右4;晶體院黨委書記吳振民, 后排左1;晶體院副所長劇哲民,前排右4;晶體院副所長張紅武,后排右1;晶體院副所長胡為民, 后排左2;晶體院總工程師范純學,前排左2;晶體院副總工程師姚裕成,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

在金剛石工具方面,晶體院與美國、日本、德國、南非、以色列和泰國等國家進行了進一步的技術交流:孫愛寶、李玉斌、史歷學習引進了水霧化制粉新技術和金剛石工具制作新技術,為后續人造金剛石的大規模發展提供了保障;夏侯諒、王治安和姚裕成等從美國引進了先進的鋸片級金剛石技術;周育先、王亨瑞等從英國和德國引進了先進的成套金剛石工具設備。這一系列國外先進技術的引進覆蓋了從觸媒粉到金剛石工具制備的完整金剛石工具產業鏈,為我國金剛石工具產業的發展奠定了基礎。為進一步推動產業發展,1995年11月,成立了北京天地金剛石技術有限責任公司,全面推動金剛石工具的產業化和市場化。通過“金剛石膜工具應用產業化關鍵技術研究”等“863”計劃項目的開展,晶體院突破了60 MN金剛石專用裝備的自主研制,周育先、玄真武、馬春生、姚興元等被共青團直屬機關委員會授予“國家建材局優秀青年”稱號?？梢哉f晶體院金剛石工具在科技創新、產業發展和人才培養等各個方面都取得了較好的成績。

1982年,日本無機材質研究所的Matsumoto等[3]的一篇論文,引發了全球CVD金剛石技術研究的熱潮。20世紀80年代,全世界在新材料、信息及能源等高技術領域蓬勃發展,競爭日趨激烈。黨中央國務院果斷決策,批準實施《高技術研究發展綱要》,于1986年3月啟動實施了國家高技術研究發展計劃。晶體院于1987年開展CVD金剛石技術研究,并于當年承擔了國家“863”計劃中“化學氣相沉積金剛石膜技術”研究(首批獲得“863”資助的單位包括吉林大學、北京理工大學、四川大學和晶體院)。

在侯立專家的帶領下,晶體院項目實驗室著重研究和發展了HFCVD,得到了領域內的廣泛關注(圖8為蔣民華院士與侯立專家交流CVD金剛石技術的留影)。在這期間,實驗室主要研究內容包括沉積設備設計、加工組裝和持續改進,熱絲結構,提高形核密度等金剛石膜制備技術,并獲得一批科研成果[3-4]。1989年侯立專家到賓夕法尼亞州立大學材料研究實驗室作訪問學者,歷時1年半,研究了HFCVD+直流等離子體技術,提高了沉積速度和質量(實驗裝置見圖9)。

圖8 侯立和山東大學蔣民華院士交流Fig.8 Hou Li communicates with Academician Jiang Minhua from Shandong University

圖9 熱絲+直流CVD實驗裝置Fig.9 Hot filament+DC chemical vapor deposition experimental device

“八五”期間(1991—1996年),晶體院為加快金剛石技術水平提高速度,繼續承擔了“863”計劃項目,項目組加強了與國外的學術交流,參加了多個國際會議,并派遣訪問學者進行學術交流,極大地促進了晶體院在CVD金剛石制備和加工技術水平的快速提高[5-6]。

除了繼續深入研究HFCVD金剛石膜技術,晶體院還探索了其他幾種主要的金剛石膜制備和加工技術,包括氧乙炔焰CVD[7]、直流電弧等離子體CVD、直流熱陰極等離子體CVD[15]、砂輪高速拋光CVD金剛石、熱鐵盤化學機械拋光技術等。并與鋼鐵研究總院合作,通過透射電鏡、俄歇電子譜等手段研究了金剛石膜與基體之間的界面結構[8-13],探索了硬質合金刀具上金剛石涂層制備工藝[14]。

圖10 金剛石激光切割機Fig.10 Laser cutting machine of diamond

“九五”期間(1996—2000年),科技部將CVD金剛石列為“863”重大關鍵技術內容,晶體院也是該重大關鍵技術項目的承擔單位。在項目實施期間,開發了高效大尺寸金剛石厚膜制備技術與關鍵性加工技術(YAG激光切割、研磨拋光、與其他材質的釬焊技術),實現了以下開拓性工作:

1)在國內與中國電子科技集團公司第十一研究所合作,開發了首臺切割金剛石材料的YAG激光切割機(見圖10)。金剛石激光切割技術解決了絕緣材料無法用電火花線切割加工的問題,不僅大大提高了CVD金剛石切割速度,并且切縫遠小于電火花線切割,有效提高了出材率,也迅速在聚晶金剛石(PCD)的切割領域得到大力推廣(以前采用電火花線切割),其切割速度較電火花線切割提高了數十倍。該技術填補了我國在CVD金剛石(無摻雜時絕緣)切割技術方面的空白,為后續金剛石膜的廣泛應用奠定了基礎。

2)首次采用真空釬焊技術(設備見圖11(a)),將CVD金剛石與其他材料,例如硬質合金、陶瓷等進行釬焊。該技術的開發,可直接將CVD金剛石用于刀具和修整工具。在后續的研究工作[16-18]中還制備出各類型的金剛石工具(見圖11(b)～(e)),為晶體院在厚膜應用方向上的研究提供了基礎,推進了產業化進程。

圖11 超高真空釬焊爐(a)及其制備的各類CVD金剛石工具:(b)CVD金剛石復合片/刀頭;(c)CVD金剛石車刀; (d)CVD金剛石復合木地板刀具;(e)精密軸承支撐器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)在國內首次開發了大尺寸金剛石片拋光技術,將高精度刀具加工技術向前推進了一大步。最大可研磨拋光加工φ80 mm金剛石厚膜,使大尺寸CVD金剛石表面拋光技術成為現實。為厚膜刀具、熱沉、光學窗口、耐磨部件等應用奠定了基礎。

4)在國內首次利用PCD刀具刃磨機(見圖12)開發了CVD金剛石刀具的刃磨技術,進而研發了采用空氣軸承鑄鐵盤的刃磨機,開發了高光潔度CVD金剛石刀具。

5)1998年與國內廠家合作,開發出5 kW級微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)裝置,并且成功沉積出光學級金剛石厚膜(見圖13),其厚度為100 μm,透過率達71%。

圖12 CVD金剛石刀具刃磨設備Fig.12 CVD diamond tool grinding equipment

圖13 光學級金剛石厚膜,左為兩面拋光片,右為非拋光片Fig.13 Optical diamond film, left is double-side polished film, right is non-polished film

圖14 CVD金剛石拉絲模Fig.14 CVD diamond wire drawing dies

6)在國內最早開發出CVD金剛石工具產品,如拉絲模產品[19],如圖14所示。

7)1999年,由侯立牽頭完成的“金剛石膜制備及工具應用”榮獲國家科技進步二等獎(1998年3月獲部級一等獎),如圖15所示。該項目源于國家“863”高科技計劃重大項目課題,晶體院在國際上首次采用了具有國際先進水平直流等離子體-熱絲復合CVD金剛石生長技術實現了具有國際領先水平(見表1)的金剛石石厚膜的制備,并使用厚膜制備出了金剛石厚膜拉絲模、砂輪修整器、軸承支撐器等新產品,在電機整流子、汽車輪轂等行業獲得了廣泛的應用。

表1 直流等離子體-熱絲復合CVD與國外3種1995年最高水平生長方法的參數比較Table 1 Comparison of parameters between DC plasma-hot filment CVD and three foreign growth method at the highest level in 1995

圖15 侯立獲得國家科技進步二等獎Fig.15 Hou Li obtained the second prize of National Science and Technology Progress Award

圖16 CVD金剛石厚膜生產車間生產的 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世紀90年代,美國已有數家從事CVD金剛石技術產品開發的高技術專業公司,P1 Diamond Inc.、SP3 Inc.、ASTEX、Diamonex等。鑒于此,晶體院與南京天地集團公司于1996年合資成立北京天地東方金剛石技術有限公司。這是國內第一家以CVD金剛石為主業的高科技公司,主要生產CVD金剛石原片、坯料,金剛石工具等超硬材料和工具,標志著金剛石材料研究步入了產業化階段。1997年,北京天地東方金剛石技術有限公司CVD金剛石生產車間可批量生產80～100 mm金剛石厚膜(見圖16)。

1.5 21世紀

進入21世紀以來,為了加快晶體院在超硬材料領域的發展,晶體院與南京天地集團于2001年決定成立北京天地東方超硬材料股份有限公司(簡稱天地公司),將原來的金輪公司、金剛石鋸片車間等與原天地東方金剛石技術公司組成股份有限公司。通過整合產品線,開發CVD金剛石、PCD復合片、PCBN(聚晶立方氮化硼)復合片刀具。例如,復合木地板刀、軸承支撐塊、切槽刀、機卡刀、精密砂輪修整器及坯料等(見圖17)。依據市場需求開發研究大型風電葉片加工的配套加工刀具,開發多用途、多規格軸承支撐器、V型支撐座等耐磨器件的產品等(見圖18)。

圖17 北京天地東方超硬材料股份有限公司在國內首次研發的CVD金剛石刀具Fig.17 Beijing Tiandi Dongfang Superhard Materials Co., Ltd. researched CVD diamond tools for the first time in China

圖18 (a)螺旋傘齒輪專用加工的硬切刀具;(b)風電葉片加工刀具;(c)軸承支撐器等耐磨部件Fig.18 (a) Hard cutting tool specially processed for helical bevel gear; (b) mechanical tool for wind turbine blade; (c) bearing support implement

開發了大尺寸金剛石厚膜制備技術,從裝備到沉積工藝都進行了大量的研發工作。實現了直徑150 mm的厚膜制備,并將其產業化,圖19為2006年生產車間照片及直徑150 mm的厚膜樣品。2002年,韓毅松、玄真武等[20]總結了納米金剛石性能及應用前景,在之后的幾年中何敬暉、玄真武等[21-22]展開了金剛石膜晶粒尺寸相關的研究,采用熱絲輔助化學氣相沉積工藝制備出納米、微米及細晶粒金剛石膜材料,并研究了其物理機械性能,明確了細晶粒金剛石膜優異的綜合機械性能,對納米金剛石膜的研究也推進了在聲表面波基片方面的研究。之后的發展過程中,晶體院與天地公司定期總結生產研究經驗、前沿科研應用研究,分別于2008、2009、2010、2012年由董長順、王亨瑞、秦松巖等發表綜述論文5篇[23-27],總結了國內外CVD金剛石產業發展狀況,分析了發展前景及方向,為企業穩定持續運營、行業的健康發展作出了長足的貢獻。

圖19 (a)北京天地東方超硬材料股份有限公司2006年車間及設備照片;(b)φ150 mm CVD金剛石厚膜樣品Fig.19 (a) Equipments of Beijing Tiandi Dongfang Superhard Materials Co., Ltd. in 2006; (b) φ150 mm CVD diamond film

進入21世紀以來,晶體院承擔了多個國家及地方的科研項目,主要開展了包括高聲速聲表面波器件基片(見圖20(a)、(b))制備技術研究[28-30]、大尺寸球罩制備和加工技術(見圖20(c))、超納米晶金剛石拉曼光譜的研究[31-32]、大尺寸金剛石厚膜產業化技術研究等。其中“中高頻聲表面波關鍵材料與器件研究”項目獲2006年北京市科技進步一等獎(本項目是由多家單位聯合研究,一同獲獎的單位還有清華大學、中國電子科技集團公司第二十六研究所、中國科學院微電子研究所等)(見圖21)。

圖20 (a)5 GHz金剛石聲表面波濾波器件;(b)雙面拋光光學級金剛石頭罩;(c)Si基底上生長的金剛石膜 (

圖21 金剛石聲表器件項目榮獲北京市科技進步一等獎Fig.21 Diamond SAW project won the first prize of Beijing Science and Technology

國內外對金剛石膜的電化學應用研究逐漸走向實用化,其高效消殺和污水處理應用符合國家的環保和全民健康的各項政策。2018年,圖22為摻硼金剛石產品。晶體院研發中心確定開展摻硼金剛石膜技術的研究[33-34]。實驗室對沉積工藝、摻硼原料、基體原料進行了充分研究后,選擇了更加環保和安全的工藝技術,為后期的產業化奠定技術基礎。

2020年,中材人工晶體研究院(山東)有限公司成立,摻硼金剛石技術研發繼續開展[35-37],并于2022年達成試生產目標完成技術轉讓,在此期間開發多款摻硼金剛石電化學應用產品(見圖23),較為系統地對摻硼金剛石在消殺、廢水處理等方向的應用進行了研究與開發,在公司雙創發展戰略下成功進行了科技成果轉化及工程化驗證。

圖22 摻硼金剛石產品。(a)各類型電極片;(b)金剛石電極消殺噴壺Fig.22 Boron-doped diamond products. (a) Various types of electrodes; (b) diamond electrode disinfection spray bottle

圖23 直徑300 mm HFCVD金剛石厚膜產品圖Fig.23 φ300 mm HFCVD diamond thick film

2 歷程思索

晶體院在成立之初,就開始了金剛石制備與應用的研究,并且在金剛石研究、產業化、應用技術等多方面都曾經是行業的先行者和領導者。

20世紀60年代采用兩面頂合成金剛石,80年代采用兩面頂壓機規模生產金剛石單晶,從德國引進生產石材切割鋸片技術(熱壓金剛石/合金粉制備、高頻焊接等技術),形成國內第一個鋸片生產線,產品供不應求。20世紀80年代后期,晶體院在CVD金剛石技術方面取得了輝煌的成就,開發了CVD金剛石厚膜制備、加工的產業化技術,包括厚膜制備技術、激光切割、研磨/拋光技術、與其他材料的釬焊技術(例如與硬質合金、陶瓷等),并且開發了一些典型的CVD金剛石厚膜工具,這些技術在當時都為國內首創,并因此在1998年獲得國家科技進步二等獎。1996年創立了國內第一家以CVD金剛石技術為主的高新技術公司,為我國在該技術的產業化和商業化發展做了有益的探索。這些成果彰顯了晶體院極強的創新能力和產業化開發能力。2020年以后,CVD金剛石技術在章丘的產業化基地落地開花,繼續創造晶體院在金剛石材料技術的輝煌,為我國金剛石材料技術進步、事業的發展貢獻晶體院的力量。

回顧晶體院六十年的發展,特別是金剛石產業的研究與應用歷史,在國家政策扶持、晶體院領導的支持及老一輩專家辛勤付出下,晶體院形成了擁有自主知識產權的單晶金剛石、CVD金剛石厚膜及金剛石工具等系列產業,獲得多項國家及省部級獎項,培養了一大批高素質技術人才,建立了一支高水平的金剛石產業研究與開發隊伍,為晶體研究院的發展做出了貢獻。這六十年的發展,有很多值得思考和總結之處。

1)晶體院在金剛石前沿技術研發方面做了很多開拓性的工作,得到了國家及省部級多項技術和資金的支持,在項目研究階段取得了很好的研究成果,技術優勢明顯,研發人員素質高,碩果累累。在改革開放初期大規模地“走出去”,注重加強國際合作,這也是技術研發和產業開創成功的關鍵。

2)在產業化轉型過程中不夠大膽,產業化機制不夠健全,錯失了一些產業化發展的機會。金剛石工具在項目支持下引進了先進的制造設備,前期產業化取得明顯效果,但后期的發展規劃及技術、設備的投入上沒有趕上市場發展的腳步,在競爭中處于下風。CVD金剛石膜產品及金剛石工具產品,在前期研發過程中取得了明顯的優勢,其中有多個產品在國內率先開發投入市場,在技術完善和產業化方面做了大量的工作,有很好的效果,但后期在技術進步、產業化先進裝備投入上處于劣勢,工具級產品的定位處于中低端,不能形成產品的核心競爭力。另一個重要的原因是,對于跟蹤CVD金剛石技術發展的措施不足,在功能性應用上仍然是以機械性能為主(包括聲表的應用),而在制備技術(例如MPCVD),熱學、光學以及電化學等方面沒有及時投入力量進行相應研究。

3)市場開發得相對比較保守和封閉,用產品找市場,市場接受過程長,延誤了產品的發展機會,產品成熟市場穩定后投入滯后,轉化成規模產業較慢,純科研思維無法適應市場開拓和產業化發展,技術優勢難以快速轉化成產品、產業優勢。面對CVD金剛石等新材料及其新產品的開發,不僅對天地公司是一個全新的挑戰,對晶體院原有的市場開發機制也是挑戰。對市場不可謂不重視,但在市場開發的策略、管理,以及用人等方面還有差距。

4)對專利等對企業知識產權保護的認識不深,也未能充分利用專利等手段進行市場開發。

5)目前由于HFCVD金剛石的技術和生長特點,公司在CVD金剛石膜材料在聲、光、電、熱學應用開發存在明顯不足,重點需要在技術上解決,開發符合相應技術要求的產品。

6)維持、培養一支經驗豐富、專業知識全面的技術團隊是進行技術跟蹤和創新的必要條件。這方面投入需要有長期規劃。

3 展 望

在六十年沉淀的基礎上,晶體院在以下金剛石技術和產業方面展望未來:

1)金剛石工具應用方面,隨著金剛石工具加工技術的多樣化,新的加工技術及設備(激光加工)解決了大部分金剛石工具的加工難點,滿足了各種異形刀具的精加工要求,為金剛石的刀具開發提供了基本條件,有利于金剛石工具的應用領域拓展。隨著我國高端工業發展,精密加工所需的CVD、PCD、PCBN刀具的應用市場巨大,市場對配套精密數控加工的標準化、系列化的高精密金剛石刀具需求旺盛,需要有相應的設備配套。

2)作為典型高科技晶體材料,CVD金剛石的制備技術須持續進行研發和完善工作,促進創新,從技術和裝備上突破國外技術封鎖,在熱學、光學、電化學、聲學、電學等領域的應用還須不斷開拓,其應用前景值得期待。

3)強化工程化、產業化思維,以市場為第一需要進行產品開拓,有利于提高行業知名度,創建晶體院的金剛石產品品牌。