剖析美國工業(yè)金剛石的發(fā)展軌跡（下）①

談耀麟

（桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究所，廣西桂林541004）

剖析美國工業(yè)金剛石的發(fā)展軌跡（下）①

談耀麟

（桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究所，廣西桂林541004）

根據(jù)美國金剛石資源、工業(yè)金剛石消耗與產(chǎn)量、天然工業(yè)金剛石與人造工業(yè)金剛石的生產(chǎn)沿革以及工業(yè)金剛石應(yīng)用領(lǐng)域與未來發(fā)展趨勢剖析美國工業(yè)金剛石的發(fā)展軌跡。文章闡述了美國天然金剛石資源與工業(yè)金剛石來源、詳細分析美國工業(yè)金剛石年消耗量與產(chǎn)量、回溯美國工業(yè)金剛石從天然金剛石到人造金剛石的沿革、全面介紹美國工業(yè)金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域、展望美國工業(yè)金剛石的未來發(fā)展趨勢。

工業(yè)金剛石；發(fā)展；美國；資源；消耗量；產(chǎn)量；生產(chǎn)沿革；應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 天然工業(yè)金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域

美國在廣泛應(yīng)用人造工業(yè)金剛石之前大量使用天然工業(yè)金剛石。美國工業(yè)應(yīng)用的天然金剛石有兩種類型：一是粒度大于60目（250微米）的；另一是粒度較小的bort和其碎粒金剛石。

在美國進口的天然工業(yè)金剛石中，大于60目的多用于制造鉆頭和擴孔器、單刃和多刃金剛石工具、金剛石砂輪、金剛石拉絲模和金剛石鋸片，其它還用于制造刻刀、玻璃刀、軸承、外科手術(shù)器械等。

金剛石鉆頭和擴孔器主要用于固體礦藏和油氣勘探、水壩等建筑物基礎(chǔ)測試、建筑物內(nèi)部管道鋪設(shè)、構(gòu)筑物混凝土檢測等。

單刃和多刃金剛石工具用于機械零件加工、砂輪修整、汽車玻璃磨邊等。

金剛石鋸片多用于石材加工、高速公路建設(shè)與維修中混凝土路面切割與開槽、冶金工業(yè)高爐耐火材料成形加工等。精細金剛石鋸片則用于電子工業(yè)中切割晶體薄片和硬脆金屬薄片等。

金剛石拉絲模主要用于高效拉制金屬絲，特別是堅硬的高強度金屬細絲和合金細絲。

金剛石砂輪主要用于各種硬質(zhì)合金刀具的成形加工與磨銳、拉絲模的研磨、平板玻璃磨邊以及光學元件的精磨等。

粒度小于60目的天然金剛石（包拉bort碎粒）主要用于制造孕鑲金剛石鉆頭和擴孔器、孕鑲金剛石工具、鋸片、砂輪等。

天然金剛石微粉多用作研磨和拋光材料，如光學元件表面、寶石軸承、珠寶、拉絲模、切削刀具和冶金試樣的精加工等。數(shù)以百計的用金屬、陶瓷、塑料、玻璃等制作的重要工業(yè)元件都需要用金剛石微粉進行精加工。由于資源與價格的原因，上述天然金剛石制品已越來越多的被人造金剛石制品所取代，如砂輪、鋸片、鉆頭等，特別是大尺寸的砂輪和鋸片等采用人造金剛石可大幅度降低成本。

絕大部分天然金剛石微粉也被價廉的人造金剛石微粉所取代。用人造金剛石微粉和細粒人造金剛石制成聚晶金剛石成形塊（PDC）和燒結(jié)塊（PCD）也逐漸替代了上述部分天然金剛石用于制造單刃和多刃刀具。

4.2 人造工業(yè)金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域

1980年美國的人造金剛石產(chǎn)量為0.5億克拉，1992年達到0.95億克拉，最高產(chǎn)量是2004年，達到2.52億克拉。應(yīng)注意的是，美國在注重提高HPHT金剛石的質(zhì)與量的同時也重視CVD金剛石和UNCD的研發(fā)，所以到2009年在美國的工業(yè)金剛石市場中人造金剛石已占98%。

在美國工業(yè)金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域中，很大一部分金剛石制品已采用HPHT金剛石替代了天然金剛石，特別是鋸片、砂輪、鉆頭、擴孔器、各種材料的切削／切割刀具和研磨工具以及散裝研磨材料等，在這方面利用的是金剛石的力學性質(zhì)即硬度和耐磨性，而在物理化學性質(zhì)的利用方面則很大一部分采用了CVD金剛石，如電子工業(yè)用的散熱元件（特別是高效散熱片）、電子計算機芯片、光學窗、輻射探測器、航天飛機工程等。

4.2.1 航天飛機工程

航天飛機工程在美國實施了30年，于2011年終止。航天飛機的研制始于1972年，1977年研制出第一架航天飛機“企業(yè)”號（Enterprise ov－101），它實際上只是個測試平臺。1981年載人航天飛機“哥倫比亞”號（Columbia ov－102）首次發(fā)射。此后相繼發(fā)射了“挑戰(zhàn)者”號（Challenger ov－103）、“發(fā)現(xiàn)”號（Discovery ov－104）、“亞特蘭蒂斯”號（Atlantis）和“奮進”號（STS Endeavour ov－105）。“奮進”號于1992年首航，2011年完成最后一次飛行任務(wù)，從此美國的航天飛機全部退役。在航天飛機上均采用了CVD金剛石作保護性鍍敷材料，各個運轉(zhuǎn)零部件的鉸鏈、轉(zhuǎn)軸、軸承等均采用CVD金剛石鍍敷以在提高可靠性的同時降低摩擦阻力。

此外，探月工程以及火星、金星等星球的深空探測工程也都用了CVD金剛石，如1978年發(fā)射至金星的先鋒號（Pioneer）探測器、1989年發(fā)射的伽利略號（Galileo）木星探測器、1997年發(fā)射的卡西尼號（Cassini）土星探測器等均采用了CVD金剛石鍍敷材料以達到耐受極高的溫度和極端的環(huán)境條件之目的。當前美國的深空探測工程仍在進行。

4.2.2 超級計算機

美國擁有世界上運算速度最快的超級計算機（supercomputer），也是擁有超級計算機最多的國家。伊利諾伊大學研制的“藍水”（Blue Water）超級計算機每秒持續(xù)運算速度最高可達1萬兆次，大約是目前最快超級計算機運算速度的10倍，能在最短時間內(nèi)完成大規(guī)模運算。

美國國家計算機科學中心（NCCS）研制的“美洲虎”（Jaguar）超級計算機運算速度達1.64千萬億次，主要用于研究氣候模型、可更新能源、材料科學、核聚變等當代重大挑戰(zhàn)性前沿科學技術(shù)與工程。

美國空軍研究實驗室（AFRL）研制的“禿鷹群”（Condor）超級計算機運算速度為每秒500萬億次，應(yīng)用于雷達增強、模式識別、衛(wèi)星圖像處理及人工智能等研究。

匹茲堡超級計算機中心（PSC）與有關(guān)大學協(xié)作用“克雷”（Cray）超級計算機進行地震波傳播效應(yīng)與自然現(xiàn)象的研究。

就電子計算機而言，為了提高電子器件的工作速度必須具有高效的散熱性能與盡可能緊湊的結(jié)構(gòu)。采用金剛石芯片代替硅芯片不但可排除計算機處理器的過熱問題，而且可改變結(jié)構(gòu)，采用三維多芯片模塊可望解決高效率散熱問題而使運算速度大為提高，同時使計算機的體積大為縮小。目前已試制出CVD金剛石與電子芯片疊層多達40層的多芯片模塊，面積只有10cm2，為性能更先進的超級計算機的研制提供了前提條件。

4.2.3 光學窗

光學窗在科技與工業(yè)中都有重要作用。近幾年美國熱衷于將CVD金剛石光學窗應(yīng)用于軍事工程和各種航天器。例如紅外線金剛石視窗應(yīng)用于激光制導的智能導彈以及噴氣戰(zhàn)斗機飛行員的視鏡等，以前用的視鏡在沙漠地區(qū)作戰(zhàn)中往往被風沙劃傷導致視線模糊。

人造工業(yè)金剛石在高科技的應(yīng)用還包括：帶有金剛石啟動像素的平面顯示器、電子顯示儀中的光發(fā)射器和輻射探測器以及用作各種元器件表面的超高強度鍍敷材料等。

4.3 金剛石微粉的應(yīng)用

金剛石微粉在美國各部門的用量相當大，主要用于各種切削刀具、珠寶飾品、寶石軸承、光學元件、硅晶片、拉絲模以及計算機芯片等的精整加工、陶瓷、玻璃、金屬、塑料和復合材料等數(shù)百種制品的精加工都要用金剛石微粉。在高科技方面，金剛石微粉的應(yīng)用還包括：宇航工業(yè)中使用的陶瓷元件的緊密公差加工、電子電路中散熱元件、激光反射設(shè)備用透鏡的加工以及磁盤驅(qū)動器的拋光加工等等。

5 美國工業(yè)金剛石未來的發(fā)展趨勢

美國USGS2010年度報告稱：“由于經(jīng)濟危機對美國制造業(yè)的負面影響，2009年美國進口的工業(yè)金剛石比2008年大幅度下降。不過2010年工業(yè)金剛石進口量已恢復至經(jīng)濟危機前的水平。”美國工業(yè)金剛石耗用量之大可見一斑。美國是工業(yè)發(fā)達、科技先進的國家，它要維持世界大國強國的地位勢必致力于研究人造工業(yè)金剛石的進一步發(fā)展。

5.1 關(guān)于HPHT金剛石

經(jīng)濟危機后美國的制造業(yè)與房地產(chǎn)業(yè)仍不景氣，不過據(jù)預測，未來10年世界上最大的工業(yè)金剛石市場仍將是美國，而主要耗用工業(yè)金剛石的部門仍然是交通運輸系統(tǒng)。作為國民經(jīng)濟命脈的高速公路網(wǎng)的建設(shè)與維護保養(yǎng)都需用大量的金剛石鋸片，而目前國際市場上鋸片級金剛石的產(chǎn)量滿足不了美國之需，為此Diamond Innovatives公司作為美國生產(chǎn)人造金剛石的主要廠家已把擴大研制高品級大晶粒HPHT金剛石作為主攻方向之一。至于其它品級的人造金剛石如細料HPHT金剛石和金剛石微粉將主要從俄羅斯和中國進口。2009年美國從中國進口占了63%，此類HPHT金剛石主要供各種金屬和非金屬材料的切割、切削、鉆削、磨削和拋光加工之用。

從未來發(fā)展考慮，Diamond Innovatives公司根據(jù)HPHT金剛石特性進行精細分類以確定研制方向以新產(chǎn)品及新應(yīng)用引導磨料市場走向，解決航天飛行器用的耐高溫陶瓷元件、電子電路的散熱元件、激光器鏡頭、計算機芯片和磁盤驅(qū)動器等的精密加工問題。

5.2 關(guān)于CVD金剛石

在美國的工業(yè)金剛石中，HPHT金剛石主要是利用其硬度與耐磨性等力學特性用于制作加工工具，而CVD金剛石則主要利用其電子學、熱學、光學等物理化學特性更多應(yīng)用于高科技。美國一直進行著金剛石作為半導體材料以及作為耐高溫材料等的深入研究以便應(yīng)用于制造可安裝在手表中的微型電話等諜報工具的超微晶片、噴氣飛機與航天飛行器的耐高溫鍍層、超大功率激光器、超大容量儲存器、熱敏微電子器件的高效散熱元件等。金剛石芯片應(yīng)用于計算機替代硅芯片，則計算機可在更高溫度環(huán)境中正常工作，并能以更高頻率和更高速度運算。因為金剛石芯片可在1000℃的高溫中正常工作，而硅芯片在150℃的溫度條件下即無法正常工作。

美國對CVD金剛石今后的研究方向是提高純度、提高生長速度與幅度、提高性能的可控性和可設(shè)計性以滿足特定條件的應(yīng)用要求。

5.3 關(guān)于UNCD

起初美國發(fā)展CVD金剛石主要是解決HPHT金剛石在商業(yè)化生產(chǎn)中難于獲得足夠大的粒度來滿足工業(yè)和材料發(fā)展之需，嗣后才逐漸開發(fā)應(yīng)用CVD金剛石在熱學、光學、電學、化學等方面的物理化學特性。UNCD的研發(fā)則是為了解決CVD金剛石表面光潔度難于提高、與其它材料的粘附性范圍較窄、難于精加工成形等問題。由于UNCD即具有CVD金剛石的共性又兼有納米材料的特性，所以從廣度和深度上更加充分地發(fā)掘利用金剛石所固有的內(nèi)在極致性質(zhì)，從而有可能解決一系列尖端科技難題，緩解當今人類所面臨的許多重大問題。

近若干年美國在重點研究金剛石干式蝕刻成形技術(shù)，使金剛石材料免除傳統(tǒng)上各種復雜而難度較大的加工程序而制成2D或3D形狀的金剛石結(jié)構(gòu)制品直接應(yīng)用于高精尖的微型器件之中。有關(guān)UNCD的應(yīng)用詳見《超硬材料工程》1／2011期《論UNCD的應(yīng)用與研發(fā)方向》，本文不再贅述。

就美國工業(yè)金剛石的發(fā)展而言，作為第一代人造金剛石的HPHT金剛石不可能完全取代天然金剛石，作為第二代人造金剛石的CVD金剛石解決了HPHT金剛石所難于解決和無法解決的某些應(yīng)用問題，也不可能完全取代HPHT金剛石。同樣，UNCD作為第三代人造金剛石，它的某些性能優(yōu)于HPHT金剛石和CVD金剛石，但不可能取而代之。隨著材料科學的發(fā)展，對人造金剛石的合成過程加以嚴格地控制，其生長條件以及統(tǒng)一嚴格精確的質(zhì)的控制就有可能按照設(shè)計的形態(tài)和預期的性能合成出新一代的金剛石。由于各代人造金剛石所秉賦的各自特性有所不同，在工業(yè)金剛石的未來發(fā)展中，各種人造金剛石將形成性能上互補的應(yīng)用態(tài)勢。

Analyse the development path of industrial diamond in the United States

TAN Yao－lin
（Guilin Research Institute of Geology for Mineral Resources，Guilin541004，China）

The development path of industrial diamond in the United States was analysed on the basis of natural resource of diamond，production and consumption of industrial diamond，production history of natural industrial diamond and synthetic industrial diamond，application areas of industrial diamond and its development trend.In this paper the resource of natural diamond and the source of industrial diamond in the United States were described；the annual production and consumption of industrial diamond were analysed in detail；the production history of industrial diamond from natural diamond to synthetic diamond was reviewed；the application areas of industrial diamond in the United States was introduced in an all－round way；and the development trend of industrial diamond in the United States was looked ahead to.

industrial diamond；development；the United States；resources；consumption；production；production history；application area

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0038－04

4 美國工業(yè)金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域

自從國際工業(yè)金剛石市場形成以來，美國一直是工業(yè)金剛石的消耗大國。在金融危機時期的2009年，美國工業(yè)金剛石消耗量從2008年的5.45億克拉驟降至3.055億克拉。2010年，消耗量回升，達到5.46億克拉，主要用于軍工生產(chǎn)。其中天然和人造的細粒金剛石和金剛石微粉的消耗量為4.9億克拉，60目以粗的天然和人造金剛石消耗量為0.56億克拉。在總消耗量中，人造金剛石占了93%以上，天然金剛石以bort為主，包括完整晶粒與碎粒。

美國工業(yè)金剛石的應(yīng)用涵蓋6大領(lǐng)域，即機械加工、礦藏勘探、石材、陶瓷、建筑和運輸系統(tǒng)（高速公路、橋梁等）。這6大領(lǐng)域每年消耗的工業(yè)金剛石（含天然及人造的）所占百分比大致為：機械加工32.3%、礦藏勘探18%、石材與陶瓷22.3%、建筑14.7%、運輸系統(tǒng)8.4%、其它.3%。

2012－02－10

談耀麟（1936－），男，高級工程師，長期從事超硬材料科研和情報方面的工作。