【觀察者網(wǎng)綜合報道】

科學網(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。

而在科學家的眼中，單晶金剛石不光是“工業(yè)牙齒”，還是“終極半導體”。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)的應用上，我國仍有一些短板?！傲啃　⑵贩N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)新一代半導體技術革命

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域的一個重要而獨特的板塊，在國民經(jīng)濟建設中有廣泛的應用。

“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，原因是它的半導體元器件不耐高溫。集電學、光學、力學、聲學和熱學等優(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。北京航空航天大學材料科學與工程學院教授張濤相信，金剛石將引發(fā)新一代半導體技術的革命。

“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?！备捎抡f。

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)展構成挑戰(zhàn)。為此，田永君表示，國家在重視科研的同時，也應該向相關產(chǎn)業(yè)傾斜，高端前沿靠進口是不行的。

國產(chǎn)設備是關鍵

據(jù)清華大學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，靠鉸鏈式結構承載三軸向壓力。

國產(chǎn)鉸鏈式六面頂壓機

對于壓力機來說，最關鍵的零件就是組成合成腔的釘錘。頂錘要承受復雜苛刻的壓縮、剪切、拉伸應力的作用，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壓性能較之國內(nèi)同類礦石更為優(yōu)越，物理化學性能更為穩(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”，燕山大學材料科學與工程學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)略目標做出更大貢獻”。