钻石还是能永久远吗,金刚石刀具材料简要介绍

礼品网】

宁波晶钻工业科技有限公司通过CVD(ChemicalVaporDeposition)——大单晶金刚石生长技术,实现了钻石的实验室培育。据介绍,该公司培育的钻石成分与天然钻石相同,价格却低了三分之二。

可以制成切削刀具金刚石材料有天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、化学气相沉积法金刚石厚膜、人造聚晶金刚石复合片等。

图片 1

钻石只能开采吗?其实,钻石还可以“种”出来。宁波晶钻工业科技有限公司通过CVD(ChemicalVaporDeposition)——大单晶金刚石生长技术,实现了钻石的实验室培育。据介绍,该公司培育的钻石成分与天然钻石相同,价格却低了三分之二。

天然钻石属于非再生资源,越开采越少,因此需要通过实验室培育的钻石来满足市场需求。张军安带着科研团队来到宁波,成立宁波晶钻工业科技有限公司,自主设计、研发CVD大单晶金刚石生产线。2015年,该公司培育的钻石完成了从实验室研制到产业化的转变;2016年进行市场适应性测试和中批量生产,当年实现销售收入近1000万元。

1、天然单晶金刚石

图片 2

天然钻石属于非再生资源,越开采越少,因此需要通过实验室培育的钻石来满足市场需求。张军安带着科研团队来到宁波,成立宁波晶钻工业科技有限公司,自主设计、研发CVD大单晶金刚石生产线。2015年,该公司培育的钻石完成了从实验室研制到产业化的转变;2016年进行市场适应性测试和中批量生产,当年实现销售收入近1000万元。

据介绍,培育钻石与种植相似,也需要“种子”和“养料”。在超真空培养仓里,研发团队用小钻石作为“种子”,然后通过注入碳源气体,让“养料”中的碳原子在微波作用下分离,逐渐沉积在“种子”上,并按钻石DNA编码排列,最终让“种子”成为更大的钻石晶体。

天然单晶金刚石一种各向异性单晶体。硬度达HV9000-10000,自然界最硬物质。这种材料耐磨性极好,制成刀具切削可长时间保持尺寸稳定,故而有很长刀具寿命。

还记得那句著名的广告词吗?“钻石恒久远”,天然钻石以其漫长的形成过程和相对稀缺性,成为婚嫁饰品的首选。不过,近年来,人工合成方法越来越成熟,人造钻石个头越来越大,纯净度越来越高,最近中国兵器工业集团豫西集团中南钻石公司推出大颗粒“首饰用钻石”,表明该产品在生产上获得重大技术突破。钻石的天然与否今后可能会被人们忽略,“恒久远”的故事也很难再讲下去了。

据介绍,培育钻石与种植相似,也需要“种子”和“养料”。在超真空培养仓里,研发团队用小钻石作为“种子”,然后通过注入碳源气体,让“养料”中的碳原子在微波作用下分离,逐渐沉积在“种子”上,并按钻石DNA编码排列,最终让“种子”成为更大的钻石晶体。

据介绍,晶钻工业公司是目前国内唯一掌握这一技术的企业。“与天然钻石相比,培育的钻石纯净度高、价格低,普通消费者买得起。”张军安说。

天然金刚石刀具刃口可以加工到极其锋利。可用于制作眼科神经外科手术刀;可用于加工隐形眼镜曲面;可用于切割光导玻璃纤维;用于加工黄金、白金首饰花纹;最重要用途于高速超精加工有色金属及其合金。如铝、黄金、巴氏合金、铍铜、紫铜等。用天然金刚石制作超精加工刀具其刀尖圆弧部分400倍显微镜下观察无缺陷,用于加工铝合金多面体反射镜、无氧铜激光反射镜、陀螺仪、录像机磁鼓等。表现粗糙度可达到Ra(0.01-0.025)μm。

制造高温高压环境

据介绍,晶钻工业公司是目前国内唯一掌握这一技术的企业。“与天然钻石相比,培育的钻石纯净度高、价格低,普通消费者买得起。”张军安说。

此外,CVD大单晶金刚石作为一种新材料,应用领域十分广泛。据介绍,除了可以制成各类钻石饰品外,CVD大单晶金刚石还可用于制造超精密度的金属、玻璃制品切削刀具和光学、激光、雷达等领域的精密仪器。“智能手机的外壳就是用CVD大单晶金刚石做成的超精密铣刀‘切’出来的。”张军安说,脑科、眼科手术过程中使用的精密手术刀,如果用CVD大单晶金刚石制造,会更锋利,使用寿命更长。

天然金刚石材料韧性很差,抗弯强度很低,仅为Gpa。热稳定性差,温度达到700℃-800℃时就会失去硬度。温度再高就会碳化。另外,它与铁亲力很强,一般不适于加工钢铁。

就能人工合成钻石

此外,CVD大单晶金刚石作为一种新材料,应用领域十分广泛。据介绍,除了可以制成各类钻石饰品外,CVD大单晶金刚石还可用于制造超精密度的金属、玻璃制品切削刀具和光学、激光、雷达等领域的精密仪器。“智能手机的外壳就是用CVD大单晶金刚石做成的超精密铣刀‘切’出来的。”张军安说,脑科、眼科手术过程中使用的精密手术刀,如果用CVD大单晶金刚石制造,会更锋利,使用寿命更长。

2、人造单晶金刚石

钻石,又叫金刚石,和铅笔芯的主要成分——石墨一样,都由碳原子组成。但结构的差异却让石墨在莫氏硬度等级中只排在最低的1级,钻石则位于最高的10级。碳原子之间之所以会形成不同的结构,关键在于压力和温度。在不同的压力和温度条件下,碳原子会变成石墨、钻石、液体等各种形态。

人造单晶金刚石作为刀具材料,市场上能买到目前有戴比尔斯生产工业级单晶金刚石材料。这种材料硬度略逊于天然金刚石。其它性能都与天然金刚石不相上下。由于经过人工制造,其解理方向尺寸变得可控统一。随着高温高压技术发展,人造单晶金刚石最大尺寸已经可以做到8mm。由于这种材料有相对较好一致性较低价格,所以受到广泛关注。作为替代天然金刚石新材料,人造单晶金刚石应用将会有大发展。

天然钻石大多数是在地球内部的高温高压下形成的,地球诞生后不久便开始在内部结晶。那里的压力在4.5Gpa到6Gpa。大致换算下来相当于地下150公里到200公里的深度。从目前开采的钻石矿中发现,绝大多数的钻石形成年代都在20亿至30亿年前,在南非地区发现的一些钻石的年龄甚至达到了45亿年左右。

3、人造聚晶金刚石

了解了钻石形成的过程,就可以根据“碳相图”人为地创造相应的压力和温度条件,合成出钻石。

人造聚晶金刚石高温高压下将金刚石微粉加溶剂聚合而成多晶体材料。一般情况下制成以硬质合金为基体整体圆形片,称为聚晶金刚石复合片。根据金刚石基体厚度不同,复合片有1.6mm、3.2mm、4.8mm等不同规格。而聚晶金刚石厚度一般0.5mm左右。目前,国内生产PCD直径已经达到19mm,而国外如GE公司最大复合片直径已经做到58mm,戴比尔斯公司更达到了74mm。

人造钻石的主要合成方法有两种:高温高压合成法和化学气相沉积法。

根据制作刀具需要可用激光或线切割切成不同尺寸角度刀头,制成车刀、镗刀、铣刀等。

最初的合成方法,也是目前普遍使用的方法,是高温高压合成法。一般情况下压力高达5GPa-6GPa,相当于用一根手指顶起一架商用喷气式飞机所承受的压力;温度则达到1300℃-1600℃。其大致原理是:高温高压下,石墨粉融于金属熔剂中,碳原子向高压舱较冷的一端扩散,最终在籽晶上结晶生长。

PCD硬度比天然金刚石低,但抗弯强度比天然金刚石高很多。另外,通过调整金刚石微粉粒度浓度,使PCD制品机械物理性能发生改变,以适应不同材质、不同加工环境需要,为刀具用户提供了多种选择。

制造高温高压,最简单粗暴的是爆炸法。把含碳原子的TNT和轰爆压力非常高的RDX两种炸药混合,在钢制厚壁罐体中引爆,产生1000℃以上的高温和30GPa的超高压,TNT中的一部分碳原子就会聚合成5-15纳米大小的钻石,称为金刚石粉。

PCD刀具比天然金刚石抗冲击抗震性能高出很多。与硬质合金相比,硬度高出3-4倍;耐磨性寿命高50-100倍;切削速度可提高5-20倍;粗糙度可达到Ra0.05μm。切削效率高、加工精度稳定。

自20世纪50年代起,人们就开始生产人造钻石用于工业用途,其在电信、激光光学、医疗保健等领域中得以广泛应用。1970年,通用电气的研究员制成了第一颗非常小的宝石级合成钻石,可以像宝石一样进行刻面处理。到20世纪80年代中期,其他制造商已能够生产合成钻石。不过,传统高压高温法合成的钻石克拉数较小,而且金属触媒会在钻石内留有残渣,机器内极少量的氮元素还会混入钻石中,让钻石呈现黄色,因此无法作为首饰级钻石。

PCD同天然金刚石一样,不适合加工钢铸铁。这种刀具主要用于加工有色金属及非金属材料,如:铝、铜、锌、金、银、铂及其合金,还有陶瓷、碳纤维、橡胶、塑料等。PCD另一大功能加工木材石材。

但随着合成技术的不断改进,现在已经可以合成出30克拉以上的无色钻石。温度梯度、除氮和掺硼技术是合成无色钻石的三大核心技术。目前这种合成钻石的鉴定要点,主要是观察钻石内部的金属包体,以及高能光源激发下异常的结构色。

PCD刀具特别适合加工高硅铝合金,因此汽车、航空、电子、船舶工业得到了广泛应用。

骨灰中也有碳元素

4、CVD金刚石膜

被人制成钻石饰品

CVD金刚石厚膜一种化学气相沉积法制成金刚石材料。作为刀具材料其硬度高于PCD。由于不含金属结合剂,所以有很高热传导率抗高温氧化性能。但,目前生产CVD材料韧性比较差,它不能用线切割方式进行切割加工,使用上受到了一定限制。由于没有切磨方向性,磨加工工艺性较差,极难磨出象天然金刚石人造单晶金刚石一样锋利刃口。作为切削刀具使用尚处于试验阶段,有待进一步研究开发。

相比之下,化学气相沉淀法可以大幅改善高压高温法合成钻石带来的缺陷。这种方法同样需要晶种,经过机械抛光、酸处理等方式处理掉表面杂质后,放在只有十分之一大气压的真空室中,注入甲烷气体和氢气,通过微波等方式加热到800℃-1000℃。

此时,甲烷会分解出碳原子,形成等离子体,降落在底部的晶种上,沉淀结晶,能以每小时0.006毫米的速度生长,不到两天,就会获得一颗周围包裹着石墨的钻石。这种方法合成的钻石能达到高级天然钻石的颜色和纯净度,克拉数也更高。2017年,德国奥格斯堡大学合成出了一块直径92厘米、155克拉的钻石。

随着人工合成方法越来越成熟,人工钻石也被玩出了不少新花样。芝加哥曾有一家纪念品公司为了纪念逝者,把人类的骨灰变成了美丽的钻石。其原理是骨灰中含有碳元素。这种钻石的制造,首先要把骨灰放进5400℃高温的真空感应炉里提纯,将碳从骨灰中提取出来;然后再将其加热到3000℃变成石墨;最后,把这些石墨放入一个压力器中两个星期,就能在巨大的高温压力作用下变成一颗人造钻石了。整个过程大约需要16个星期。

巴西的工程师还曾用甘蔗酒精作原料生产出了人造钻石。以甘蔗酒精作原料生产合成金刚石,是在一个特殊的反应设施里进行的,通过控制压力和温度,使乙醇和氢在反应设施里形成环流,在这个过程中加氟,乙醇被分裂成碳微粒,形成金刚石和石墨。氢和石墨发生化学反应,金刚石便附在硅片上。最后再用化学方法从硅片上取下金刚石。

有望引发新一代

半导体技术革命

就像之前提到过的那样,人造钻石也是货真价实的钻石,成分、结构与天然钻石完全相同,两者只能通过非常特殊的方式区分。随着人造钻石合成方法的成熟,产量的提升,大量的人造钻石正从各国的实验室中生产出来。

2017年,合成钻石的平均售价只比天然钻石便宜10%-20%,一年之后,这个差距已经拉开到30%-40%。据日经新闻2018年8月2日报道,随着技术的进步,实验室制造的钻石早已用于工业生产。中国的实验室不仅能够制造较小的、黄色的宝石,还可以制造较大的、无色的宝石,并拓宽了它们在珠宝行业的用途。中国的钻石实验室通常拥有数千台合成设备,每台设备一次可生产100颗宝石。

最近,中国兵器工业集团豫西集团中南钻石公司推出大颗粒“首饰用钻石”,该公司通过自主研发,攻克了触媒配方及制备的技术壁垒,解决了国产六面顶压机不能满足长时间合成的行业难题,成功地实现了宝石级培育钻石的规模化生产,并掌握了20克拉以内大尺寸钻石合成技术。

目前,豫西集团已掌握了20克拉以内大尺寸高温高压培育钻石单晶合成技术,掌握了黄钻、蓝钻、绿钻、紫-红钻等彩色钻石生产技术。实现了批量供应粒度最大、品级最优、色彩可控的克拉级培育钻石。

除了作为饰品,钻石还是“工业牙齿”。以金刚石车刀为例,其刃口圆弧半径可以刃磨到连扫描电子显微镜也无法检测,利用它来切削加工,往往可以直接获得镜面。利用钻石超硬的力学性能,可加工世界上所有的已知材料。利用其无与伦比的热光声电性能,可用于航天员宇宙射线防护、尖端武器装备隐身防腐、提高导弹飞行速度与打击精度、大功率激光探测,可用作大规模集成电路及LED新光源热沉等尖端领域。而人造钻石技术的成熟,也有助于进一步降低制造业的成本。

此外,金刚石电子器件相比其他半导体器件具有体积小、集成度高和无需制冷的优势。随着人工钻石制造技术的进步和成本的降低,有希望引发新一代半导体技术的革命。

来自:新华网

本文由一分钟一开的彩票平台发布于礼品工艺品,转载请注明出处:钻石还是能永久远吗,金刚石刀具材料简要介绍

您可能还会对下面的文章感兴趣: