人造金剛石行業的未來10年①

張戰

（賽普超硬材料科技有限公司，廣東 韶關512000）

1 概述

我國2011年人造金剛石總產量為80億克拉，2012年已突破100億克拉，預計2013年將達到120億克拉，且未來中國人造金剛石的產量仍將以10%以上的速度增長，10年內我國人造金剛石的總產量將大大突破200億克拉／年。屆時人類文明一定會進入“鉆石時代”，“鉆石時代”下的金剛石單晶制造技術與現在相比在以下八個方面會有所突破：

2 “鉆石時代”單晶制造八個關鍵技術

2.1提高石墨轉化率技術

（1）將低熔點金屬與鎳鐵合金構成三元或者四元合金觸媒體系，降低合金觸媒的熔化溫度

（2）將石墨－合金觸媒按一份合金觸媒對應一份石墨及一個成核劑的方式混合，確保石墨轉化率的最大化。

（3）適當改變頂錘與傳壓介質的關系，在合成石墨柱中添加適當的除氧劑 。

（4）碳源改性，降低石墨向金剛石轉化所需動能。

2.2 合金觸媒再生技術

合金觸媒的價格對金剛石單晶制造成本影響很大，約占總成本的40%，合金觸媒再生技術可將合金觸媒再生，再生合金觸媒的費用可控制在生產合金觸媒所需費用的25%以內，在其它條件不變的前提下，合金觸媒再生技術誕生后，金剛石單晶制造成本對應將明顯降低。

圖1 660缸徑六面頂壓機Φ52毫米直徑大腔體產能Fig.1 Capacity of large cavity withΦ52mm diameter of 660cylinder diameter cubic press

圖2 十年后支撐行業的八大關鍵技術Fig.2 Eight kinds of backbone techniques after ten years

圖3 目前支撐行業的四大關鍵技術Fig.3 Four kinds of backbone techniques at present

2.3 Φ55毫米以上大腔體技術

構成金剛石單晶制造成本的主要元素中工人工資、設備用電用水、硬質合金頂錘消耗量以及設備折舊均與腔體大小及六面頂設備大型化技術有關 ，Φ55毫米以上大腔體技術可將上述四項所需費用均降到0.01元／克拉以下，0.01元／克拉的上和下具有特別重要的意義。參圖1和表1。

表1 大腔體技術與四項所需費用的關系Table 1 Relationship between large cavity technology and four kinds of expenses

2.4 無酸無污染高效率分離技術

（1）無污染高效率分離技術將成為金剛石單晶制造業可持續性發展的必要條件。

（2）氣相高溫氧化除石墨，該方法的理論基礎是石墨與金剛石在常壓下氧化起始溫度相差懸殊選用500℃～700℃之間的合適溫度再加上一定量的助氧劑氧化去除石墨 。

（3）完全電解－機械破碎－搖床分離金屬等，該方法也需用無酸試劑除去最終的少量石墨。

2.5 金剛石單晶高效率分級技術

金剛石單晶高效率分級技術可確保金剛石單晶制造成本從角級（角／克拉）降到分級（分／克拉），而不會因土地成本上升以及用工成本上升而使金剛石單晶制造成本上升。高效率分級技術的工作方法可參考金剛石微粉分級分類方法引入到金剛石單晶分級技術中。

2.6 金剛石單晶制造新材料體系

金剛石單晶的人工合成，就壓力而言從負壓到高壓均可生長金剛石，高溫高壓法的材料是石墨加鎳鐵觸媒合金在5～6萬大氣壓、1250℃的條件下完成；從負壓到正壓的可選材料有CO2、碳酸鹽、含碳有機化合物以及碳化金屬，等等。上述任何一種新材料體系的成功對石墨加鎳鐵觸媒合金的高溫高壓法金剛石單晶的人工合成都將產生沖擊。

2.7 金剛石單晶制造新方法

金剛石單晶制造新方法有可能使單次合成顆粒狀金剛石的單產不是幾百克拉而是幾十公斤甚至幾噸，新方法極有可能在中壓下碳還原技術研究成果中發生，金剛石單晶制造新方法有可能會使用另一種形式的“壓機”，中壓下金剛石單晶制造將不再使用硬質合金，極大可能用鋁釩土代替葉蠟石作為傳壓介質。

2.8 金剛石單晶定型制造技術

自銳性金剛石、微晶金剛石、金剛石大單晶的高壓直接合成屬于金剛石單晶定型制造技術范疇。

3 “鉆石時代”的金剛石單晶應用

（1）替代普通磨料

人造金剛石自誕生之日起，就擔負著替代碳化硅、棕剛玉等普通磨料的歷史使命。與普通磨料相比，人造金剛石使用效率高（例如使用相同重量的人造金剛石和碳化硅，在相同的時間里磨加工，人造金剛石的速度是碳化硅的100倍）；損耗低（例如使用相同重量的人造金剛石和碳化硅，在相同的時間里磨加工，人造金剛石的損耗只有碳化硅損耗的百分之一）。普通磨料行業作為一個高污染、高能源消耗的行業，自上世紀80年代開始許多發達國家已經就禁止在本國生產碳化硅、棕剛玉等普通磨料，或將加工基地轉移到不發達國家。目前我國每年生產的碳化硅及剛玉超過350萬噸，其中約有30%用于研磨和陶瓷加工，按每噸碳化硅8000元人民幣計，用于磨加工的總產值超過8億元／年，按一克拉人造金剛石0.25元計，如果全面替代碳化硅，將需要不少于32億克拉的人造金剛石。

（2）大型工程機械

盾構機是裝備制造業的標志性產品，也是當今世界上最先進的隧道掘進用超大型專用設備。在中國日益重視開發利用地下空間的今天，具有十分廣闊的市場前景。2010～2015年期間，中國規劃建設的城市快速軌道交通項目總長度達1700公里，5000多億元投資將聚集在這一領域。南水北調、西氣東輸等重大工程正在大量引入盾構機，盾構機施工和制造正在成為一個巨大的市場。至2011年，全國大約需要500臺左右的盾構機。按照國際市場每臺盾構機400～600萬美元的價格計算，這一領域的潛在市場每年高達150億～225億元。另外隨著中國經濟的快速發展，基礎設施與能源開發等工程的投資規模日益加大常規的樁工機械如旋挖鉆機每年銷售超過500臺，長螺旋鉆孔機超過400臺，工程機械年銷售總量超過800億元。而目前這些工程設備主要還是使用硬質合金刀具材料，損耗大，更換困難，成本高。如將工作刀具的材料改為金剛石復合材料，將大大提高設備的使用效率，工程刀具的成本約占設備總成本的5%～8%，約有40～60億元的年工具成本消耗。每年將消耗的人造金剛石不少于60億克拉。

（3）道路建設

目前我國正在大幅度加快道路建設。高速公路超過5萬公里，普通公路超過220萬公里，農村水泥路超過100萬公里。每年的道路維修費用需300～330億元，按每公里的維護工具使用2%的金剛石工具測算，每年的人造金剛石消耗將超過10億克拉。人造金剛石具有極高的硬度和超耐磨特性，在國家的機械、石材、石油、地質、航空航天、軍工、汽車、冶金、電子等行業的產業鏈中起著關鍵作用，決定國家的工業水平。隨著金剛石應用的進一步深入，超硬材料必將創造出更加廣闊的市場，為中國乃至世界工業的發展作出自己的貢獻。

圖4 2010年以前金剛石應用比例Fig.4 Application rate of diamond before 2010

圖5 2020年以后金剛石應用比例Fig.5 Application rate of diamond after 2020

（4）農業機械

我國目前仍然是農業國，農業機械化程度不同國家在世界上的地位也不同。到目前為止我國在農業機械上仍未使用人造金剛石，究其根源仍然是金剛石價格較高。隨著金剛石價格進一步下降以及應用技術領域的不斷擴展，用以農耕、收割、糧食作物加工等方面的機械在未來均會使用人造金剛石，農業機械鉆石化市場廣闊 。

4 “鉆石時代”的人類社會

人類發展的歷程（圖6）：

圖6 人類社會發展的歷程Fig.6 Development process of human socity

人類社會文明必將進入下一個時代：“鉆石時代”，“鉆石時代”的特征是人們使用的工具大量應用人造金剛石，特別是：用以農耕、收割、糧食作物加工等方面的機械必須是人造金剛石工具。人們日常生活中將大量使用鉆石，人造鉆石作為功能材料將大量應用于日常生活，例如鉆石芯的CPU；鉆石芯的手機；鉆石芯的銀行卡等。鉆石刀、鉆石鋸、鉆石鏟、鉆石筆、鉆石錘等也十分常見。鐵與銅的熔化溫度相差僅500℃，人類社會就走了幾千年。人造金剛石的人工合成要比煉鋼復雜得多，大約在60年前人類才從石頭（天然石墨）中煉出了金剛石，截止目前人造金剛石單晶制造成本仍然較高（與鋼鐵相比），如果人造金剛石單晶制造成本再下降2個數量級，每噸的成本價格將是1萬元人民幣，售價也僅相當于優質合金鋼的價格，此時人造金剛石單晶與鋼鐵相比價格相當，如果人造金剛石工具制造業同步發展，人類社會文明一定會進入“鉆石時代”。