低碳經濟、循環經濟促進金剛石行業高速發展①

方嘯虎，崔祥仁，溫簡杰，楊燁

（1.上海琦實超硬材料有限公司，上海201108；2.冶金地質一局晶日金剛石有限公司，河北燕郊065201）

2009年我國產鋼5.8億噸、有色金屬2600多萬噸、黃金334噸，煤炭30余億噸，均雄居世界之冠。這足以說明礦產資源是工業的糧食，是國家經濟建設與社會發展的物質基礎。為貫徹落實《國務院關于加強地質工作的決定》以及國務院副總理李克強關于立足國內加強資源勘查的重要指示，總結交流近年來我國金屬和能源地質成礦理論新進展，大力提高資源型礦山企業和能源資源的保證程度及利用程度，大力提高我國地質工作水平是我國“十二五”計劃開好頭起好步極為重要的環節。

1 快速發展的中國超硬材料

進入21世紀，在我國集中多年經驗的基礎上，中國的超硬材料行業發展進入了快車道。

1.1 設備的大型化與程控化

1.1.1 設備的大型化

設備的大型化經歷了四個主要歷史階段［1］：

（1）六面頂壓機擴大腔體以提高產品質量的理念確立階段。這是上世紀70年代初─中期。國內壓機以Φ230mm為主，開始認識到擴大腔體既可提高產量也可以提高質量，奠定了壓機大型化是非走不可之路的決心。

（2）六面頂壓機大型化的思考階段。上世紀80年代中后期，經歷了大型化的必然性與可行性的討論，從而進入了思考時期。如何才能進行更大腔體合成？其唯一的出路就是壓機大型化，同時對頂錘的質量提出了更高的要求，所以設計并應用好Φ280－300－320mm缸徑壓機成了這一階段的重中之重。

（3）六面頂壓機大型化的探索階段。上世紀90年代中期開始，探索階段應該始于Φ360mm缸徑壓機的出現到Φ480mm缸徑壓機直至Φ500mm缸徑壓機的發展。這時對壓機缸徑的不少參數，包括壓機結構、壓機受力狀態、頂錘、電源控制系統、管徑、液壓閥等都做了較為深入的思考、探索、攺進，為后續進一步大型化打下了堅實的基礎。

（4）六面頂壓機大型化的快速發展階段。在Φ500mm缸徑壓機設計出來以后，普遍認為它的穩定期將要5年左右，后來實際花了2～2.5年就基本穩定了。特別是近十年左右，更顯示出像上了“高速路”一樣，1到2年一個變化，跳躍式在前進！現在各企業在發展下一代缸徑壓機時，似乎都是“胸有成竹”。而且也確實一旦上馬，在半年或一年即基本穩定，并馬上批量投入產業化。最近河南某企業Φ700mm缸徑壓機一上就是30臺，而且是當年投入當年穩定，當然這里還有的地方將會進一步攺進，但是它能夠很快穩定！

這說明什么呢？這就充分說明中國的六面頂壓機，無論是硬件，還是軟件；無論是壓機的主機還是控制系統；無論是頂錘還是傳壓介質塊等原輔材料；無論是腔體設計還是合成工藝都已經逐步進入成熟階段！有的則整個的移植過來即可，如提純、選形、質量分選、鑒定等等，如此，中國的金剛石工業發展將會很快！

1.1.2 設備的程控化

從某種意義上說，大型壓機高精度全自動微機電控及群控系統給了金剛石工藝設計工作者不少可操作空間，金剛石產量、質量有所突破，“計算機智能控制”的硬件系統起了非常重要的作用。如某單位于Φ500mm缸徑壓機上合成高品質金剛石的一個具體的工作曲線，是多段的，可自行設計的，它具有一定的“記憶”功能，這就給工藝的穩定性創造了很好的條件。使產品的產量、質量得以提高，這本身就是一個挖潛！

圖1 JY－21E，E1型高精度電控裝置Fig.1 JY－21E，E1 type high－precision electric control device

除此之外，控制方面新的產品見圖1所示。JY－21E，E1型電控系統的特點表現為：①20段壓力曲線，20段電流和溫度曲線；②實現恒電流、恒電壓、恒功率和恒溫度等多種方式控制；③升壓和保壓（恒壓）實現設定超壓速率控制超壓速度，實現恒壓保壓；④6缸活塞以數字化定位方式實現行程限位，充液超壓上下限及6缸頂錘實現微動變化定位；⑤存儲、查看、調用量大，擁有1000套工藝方案和1000組歷史數據記錄，擁有10000組合成塊歷史數據記錄和10000條事故和報警信息；⑥具有報表輸出打印功能；⑦30多項自動保護報警功能；⑧升壓和卸壓實現無級變速調節。

這些功能的設計大大提高了設備的挖潛能力，首先保證了用于高品質聚晶、復合片的生產，同時也保證了一些特殊試驗和生產的要求，如單晶大顆粒等。

1.2 產品的系列化多樣化

中國在超硬材料的發展方面與國外有很大的區別，如用國產，且具有中國特色的六面頂壓機，生產的品種就包括了金剛石、立方氮化硼的單晶，聚晶，復合片等。圖2、圖3、圖4所示為本公司生產的金剛石、立方氮化硼和聚晶等；從粒度來說是全系列的，從20／30直至500／600，均可生產出優質產品。最近我國單晶大顆粒已經有所突破，達到9～10mm，很快就會沖擊≥10mm的寶石級金剛石。

圖2 系列金剛石產品Fig.2 Diamond product series

圖3 琥珀色、黑色立方氮化硼Fig.3 Amber and black cubic boron nitride（CBN）

圖4 各種形狀的聚晶Fig.4 Various shape polycrystal

1.3 產量在全球的占有量絕對化

這方面不想贅述，早在上世紀90年代我國金剛石就占全球50%以上，最近幾年已經占絕對的優勢，據相關的人士稱已占全球90%～95%，而立方氮化硼也占全球55%～65%，這是非常可喜的，所以說具絕對優勢。

本世紀初的幾年，每年是3～5億克拉的增長，而近幾年，每年是8～10億克拉的增長。更沒想到的是2009年我國金剛石總產量在50～55億克拉，而2011年我國金剛石總產量將達80億克拉左右，由于壓機的快速增加，生產能力已超過100億克拉。

1.4 質量的先進性規范化

特別值得一提的是，進入21世紀，我國全面推廣了設備大型化、控制智能化、腔體擴大化、部件精細化、工藝科學化等中國發展超硬材料思路。使用了粉末觸媒、大壓機大腔體、間接加熱、燕尾式合成工藝等措施，使我國超硬材料質量飛速提高，進入了一個嶄新的新階段。以前強度能夠保證在180～200N，就是相當不錯的了，現在200～250N、250－300N已經是常態，≥400N也可采取相應的措施大批量供貨！正由于此，所以國際市場占有率全部打上“中國制造”已為時不遠了！我們從現在開始，再靠打強度來表示金剛石質量的時期已經過去，我們在描述金剛石質量時必須有TI、TTI等新的標注，同時我國已經有了好的金剛石還有一個與國際市場接軌的問題，我們必須把其他國家的高品質市場爭取過來！

2 低能耗低污染金剛石產業替代傳統磨料勢在必行

眾所周知，傳統磨料主要是剛玉系列：白剛玉、棕色剛玉等，碳化硅系列：綠色碳化硅、黑色碳化硅等。這些產品在金剛石、立方氮化硼沒有發明前，的確具有不可替代的作用，但時至今日卻發生了根本性的變化，我們從以下幾個方面來說明。

2.1 金剛石行業具循環經濟，可再生經濟特色

首先普通磨料是不可再生的。而金剛石的成分是碳，碳在自然界是極其豐富的，碳本身就是一個循環產物，形成了產物鏈，這是以Al、Si為原材料無法比擬的。

同時，金剛石在整個生產過程中，大量都可回收重新利用。如頂錘：大塊的可切割繼續做刀具，小塊可電解回收W、Co，重復使用；觸媒：很早就采取電解的技術，一方面減少污染，一方面回收Ni、Mn、Co金屬，最近采用Fe基觸媒后，新的工藝干脆就直接把它制成金剛石制品的粉末結合劑；石墨也有人在回收。可以這么說：沒有一項工業可如此回收，如此利用，應該說金剛石行業是循環經濟、可再生經濟最典型的行業！

2.2 金剛石行業具低能耗特性

我們說普通磨料是高能耗產業，具體來說：生產一萬噸碳化硅一般需9000萬k W電，生產一萬噸剛玉一般需1600萬k W電，耗能是相當高的。假如說用一億克拉金剛石替代一萬噸普通磨料，在功能上是完全可以相當的，但能耗僅需≤350萬k W電，兩者相差數倍至數十倍。同時還有運輸流、倉儲流等，則更顯示出全面發展金剛石的重要性。

2.3 金剛石行業完全可替代傳統磨料業

從前普通磨料性價比的優勢，現在已蕩然無存。當時金剛石，普通的RVD要幾十元一克拉，后來逐步降為幾元一克拉，近幾年又進一步降為一角、兩角一克拉，一克拉高品質的金剛石也僅1～2元或2～3元，這種價位的金剛石真是可以任意使用了。在上世紀70年代一片Φ300mm金剛石砂輪需買一臺磨床的價值，自然視為高檔產品；而現在一片同樣直徑的砂輪僅數百元，而一臺磨床少則數萬，精密磨床可達數十萬。相比之下，金剛石已經不再是高貴的磨料了，已經進入“百姓家”，成為耐用而且價廉物美的好磨料！

3 工程性超硬材料為低碳經濟的能源經濟服務

所謂工程性超硬材料就是充分利用金剛石或聚晶、復合片的強度、硬度、耐磨度等機械性能，把它用于開發能源。中國的能源消費結構與世界能源消費結構有很大不同。2006年，世界能源消耗構成中，原油、天然氣和煤炭三大能源各占30%左右，其中原油占36.8%，天然氣占23.7%，煤炭占27.2%，水電占6.2%，核電占6.1%。而在中國的能源消費結構中，煤炭占據了主導地位，所占比重為67.7%，石油為22.7%，水電、核電、風能、太陽能為7%，天然氣所占比重僅為2.6%，其它能源比例則更少。

我國必須盡快改變這種能源消費的模式，特別是要把消耗可以作為重要化工原料的煤炭從根本上攺變過來。今后的重點將在發展水能、地熱能、風能、生物質能和太陽能等低碳可再生能源方面。2010年可再生能源已占能源耗費總量的10%以上，到2020年這一比例將提高到16%以上，甚至到20%以上。發改委指出：“無論石油、煤炭等傳統能源價格如何變化，我國都要大力發展可再生能源。”有的低碳可再生能源與金剛石無關，現就有關的方面作一簡單的闡述。

3.1 水電工程應用金剛石鉆探

我國是水電資源相當豐富的國家，特別是西部和西南部，據查水能資源理論蘊藏量為6.89億k W，居世界第一位。根據規劃：將對主要河流進行開發形成若干個大型水電基地，2010年達到1.9億k W，2020年將達到3億k W。據業內專家指出，這將意味著達到水資源的50%左右，也是全國電力裝機量的30%。

水電建設的早期離不開水文地質勘探、離不開電站的選址；在水電建設中離不開水壩兩側的帷幕灌漿，所以高速的水電建設，金剛石將會發揮極為重要的作用。

3.2 天然氣廣泛開發利用

眾所周知，天然氣都是埋藏在地下，經常是與石油相共生的。國外天然氣占總能源的23.7%，而我國僅占2.6%，相差幾乎為9～10倍。所以在國內找石油的同時，必須綜合勘探天然氣。

我國的石油目前集中在東北、西北、山東等幾個基地外。更多的集中在海洋，有專家稱海上石油和天然氣約占70%，特別是中國南海，越南目前基本在中國海域采油、采氣，所以我們必須加強國防力量來保證中國自有能源的需求。金剛石單晶和聚晶是石油和天然氣采掘制作工器具的重要原材料。

3.3 地熱能源的綜合開發利用

地熱資源是非常重要的低碳可再生能源之一，它依靠地下源源不斷的地熱能由加熱的地下水不斷提供給人們使用，地熱真正是取之不盡，用之不竭的能源。以往只是在幾個溫泉點能夠加以利用。經過初步的勘察，我國地熱資源分布范圍很廣，都可以加以利用。北京市東就有很好的地熱能。再如西藏的羊八井就是資源非常豐富的產地，地熱資源在西藏很多地方已經得到充分利用。

羊八井建有羊八井地熱電站，是中國最大的地熱能發電站，位于西藏自治區當雄縣境內。羊八井海拔4306米，其地熱田在地下深200米，地熱蒸汽溫度高達172℃。電站自1977年第一臺機組投入運行，到1986年裝機容量達1.3萬k W。由5眼地熱井供水，單井產量為75～160立方米／小時，水溫為145℃～170℃。每年二、三季度水量豐富時靠水力發電，一、四季度靠水熱發電，能源互補。自1977年9月建成試驗發電以來，目前裝機容量已達25.15MW，占拉薩電網總裝機容量的41.5%，在冬季枯水季節，地熱發電出力占拉薩電網的60.0%，成為其電網主力之一。

3.4 海洋“可燃冰”綜合開發利用

可燃冰是極為重要的低碳能源，是天然氣水合物的俗稱。是近20年來在海洋和凍土帶發現的新型潔凈能源，可以作為傳統能源如石油、煤炭等的替代品。據估算，世界上可燃冰所含有機碳的總資源量相當于全球已知煤、石油和天然氣的2倍。

我國從1999年起開始對可燃冰開展實質性的調查和研究。經國家正式批準，從2002年起正式啟動了對我國海域可燃冰資源調查與研究專項研究。該專項下設4個項目，其中包括我國海域可燃冰資源調查與評價、勘探開發技術、環境效應等。項目由國土資源部負責，中國地質調查局組織實施，國土資源部廣州海洋地質調查局、青島海洋地質研究所、國家海洋局負責承擔。近10年來，廣州海洋地質調查局作為項目具體執行單位，在南海北部陸坡區特別是西沙海槽、神狐、東沙及瓊東南4個海域，有重點、分層次地開展了可燃冰資源調查與評價工作。證實了我國南海存在可燃冰資源。2007年4月～6月，租用外國鉆探船在神狐海域實施了鉆探工程，成功獲取了可燃冰實物樣品。這使我國成為繼美國、日本、印度之后的第4個通過國家級研發計劃在海底鉆探獲得可燃冰實物樣品的國家。今后金剛石工具將是可燃冰鉆采的最重要的利器。

4 工程性超硬材料是資源性礦產資源的根本

工程性超硬材料除開發能源外，還可把它用于開發固體礦產資源方面。

固體性礦產資源本應該指黑色金屬礦產、有色金屬礦產，當然也包括核能礦產。但由于前兩者與低碳經濟關系略微遠了點，只是提煉或提取時要多考慮節能工作，它遠不及核能資源來得直接。

核能由于它不排碳（核能廢料將可深埋），所以也應該屬低碳經濟范疇。核能仍然是全球各國爭相發展的能源之一。要發展核能，那么從勘探到開采都離不開金剛石工具，所以在冶金、有色大力發展小口徑鉆探時，核工業系統也同樣受到高度重視，在全國發展了一批金剛石及其鉆頭生產的企業。

5 功能性金剛石為光伏能源，提高低碳能源服務

下面再談談功能性金剛石及低碳經濟問題。金剛石除了利用其強度、硬度、耐磨度等性能外，它的絕緣性、導熱性、折光性、半導體性等等都具材料類無可比擬的優勢。這里就涉及光伏作用。

所謂“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”，英文名稱：Photovoltaic effect。指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產生電位差的現象。它首先是由光子（光波）轉化為電子、光能量轉化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。這實際上是把光─電有機地結合到一起了！這項工程在產業化方面有著極大的意義，眾所周知：自2006年以來全球及中國領導人，包括胡錦濤、溫家寶在不同的國內外會議上都反復強調節能減排、循環經濟、低碳經濟的問題。2007年7月，溫家寶總理在兩天時間里先后主持召開國家應對氣候變化及節能減排工作領導小組第一次會議和國務院會議，研究部署應對氣候變化工作，組織落實節能減排（低碳）工作。2007年9月8日，中國國家主席胡錦濤在亞太經合組織（APEC）第15次領導人會議上，本著對人類、對未來的高度負責態度，對事關中國人民、亞太地區人民乃至全世界人民福祉的大事，鄭重提出了四項建議，明確主張“發展低碳經濟”，令世人矚目。他在這次重要講話中，一共說了4回“碳”：“發展低碳經濟”、研發和推廣“低碳能源技術”“增加碳匯”“促進碳吸收技術發展”等等。那么“光伏效應”正是解決這些問題的重中之重，只是以前在單晶硅方面著眼考慮問題。金剛石具有高的電子、空穴遷移率，高的擊穿電壓，高的熱傳導率，摻雜可半導體化，是一種很有希望的高溫半導體材料，不斷有已經制成了n型半導體或是p—n結的報道。特別是最近一位80后的中國小伙子，報道稱：他研究的是金剛石在可再生能源方面課題，該課題是當今世界最前沿的科研項目，已獲得了歐盟國家科研成果最高成果獎項之一的“瑪麗.居里獎”，并被歐盟國家列為“絕密”。我們預計它將在金剛石半導體方面也有所突破，一旦如此，它的效果自然比單晶硅要強得多，今后金剛石在這方面的應用前景是無法估量的，它的商業價值也將是巨大的。

發展太陽能是我國將在經濟較發達、現代化水平較高的大中型城市建設并網太陽能光伏發電設施。我國將在西北地區建設幾個較大規模的太陽能光伏發電基地和太陽能示范項目，要充分利用西北地區的荒地、沙漠和戈壁。根據規劃，2010年太陽能發電達到30萬k W，太陽能熱水器總集熱面積1.5億平方米；2020年太陽能發電達到180萬k W，集熱面積達到3億平方米。這些目標通過努力能夠實現，這對金剛石產業的發展無疑也有重要支撐作用。

6 結論——金剛石的未來

我國經濟在“十二五”期間仍然會穩健而高速的發展。我們從低碳經濟出發，無論是替代原來的普通磨料，還是利用它作為鉆探開發；無論是工程性利用，還是功能性利用。金剛石將會以它的優越性能，發揮著越來越重要的作用。低碳經濟是我國的國策，金剛石也會為實現我國的國策作出突出的貢獻！目前我國金剛石產量已經達到80億克拉，由于國家對它在國民經濟中認識的提高，將不會對它進行限產，而且在不久的將來還會成倍的增長，200億克拉將是指日可待的！金剛石行業將永遠是陽光行業！

［1］ 方嘯虎.中國超硬材料新技術與進展［M］.合肥：中國科學技術大學出版社，2003.12.

［2］ 方嘯虎，等.現代超硬材料與制品［M］.杭州：浙江大學出版社，2011：6－9.