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人造金刚石综述

admin 人造钻石 2020年08月18日

  人造金刚石综述_纺织/轻工业_工程科技_专业资料。人造金刚石综述 罗鹏程 (化学化工学院 3) 摘要: 本文介绍了人造金刚石的构成,人造金刚石起初的发展,人造金刚石在我 国的第一次产生, 以及人造金刚石的用途,对于我国

  人造金刚石综述 罗鹏程 (化学化工学院 3) 摘要: 本文介绍了人造金刚石的构成,人造金刚石起初的发展,人造金刚石在我 国的第一次产生, 以及人造金刚石的用途,对于我国金刚石发展的前景的展望以 及对于我国金刚石未来的发展做出的规划,人造金刚石在我国的发展现状等 关键词: 石墨 人造金刚石 用途 发展 前景 One diamond review Luo Pengcheng (ChemistryandChemicalEngineering, 3) Abstract: This paper introduces the composition of artificial diamond, the first development of man-made diamond, synthetic diamond in China produced for the first time, and the use of artificial diamond, diamond for the prospect of Chinas development prospects and the planning for the development of Chinas future is made of diamond, synthetic diamond in Chinas development status Keywords: prospects for the development of artificial diamond uses graphite 一、 人造金刚石简介 金刚石由碳元素构成,与无定形碳、石墨、碳纤维、富勒烯和碳纳米管等互 为同素异形体,其密度为 3.52g/cm3。金刚石熔点为 3550℃,在空气中的燃点为 850~1000℃,在纯氧气环境中的燃点为 720~800℃,因此在空气中金刚石一般表 现为直接点燃生成二氧化碳, 不会观察到熔化现象。 金刚石的化学性质非常稳定, 在室温下既不和酸也不和碱发生反应。 金刚石最具优势的特点是极高的硬度和热 导率。金刚石是自然界天然存在的最硬物质,其莫氏硬度为 10 ,显微硬度为 10000kg/mm2,是刚玉的 150 倍,石英的 1000 倍;金刚石同时也是自然界天然存 在的热导率最高的材料,其热导率为 900~2320W/(m/k),是铜的 5 倍多,高纯单 晶合成金刚石的热导率比天然金刚石更高,可达铜的 7.5 倍。[1] 二、人造金刚石的产生与发展 1954 年美国 GE 公司研制成功了世界上第一颗人造金刚石,人造金刚石行业 已经发展了半个多世纪。1970 年美国 GE 公司再次在人造金刚石技术上取得突 破,利用高压下的温度梯度法首次合成出宝石级人造金刚石。1982 年日本科学 家 setak 等首次在非金刚石基底上以每小时数微米的生长速率制备出了人造金 刚石,使化学气相沉积法( CVD)制备金刚石薄膜技术取得了突破性进展。我 国 1963 年 12 月 6 日在国产 300 吨 6I 型两面顶超高压装置上,以高纯石墨粉为 原料,以镍铬合金为触媒研制成功了我国第一颗人造金刚石。1964 年 4 月我国 自行设计成功 6x6MNDS 一 023A 型铰链式六压机。 1965 年 8 月六面顶压机制造 完成,1966 年 7 月 3 日正式投入合成工艺试验,并投入批量生产,当年生产人 造金刚石一万克拉。 我国第一个人造金刚石及其制品的专业化生产厂——第六砂 轮厂,于 1969 年建成投产。此后的近十年内金刚石生产在全国形成了遍地开花 的局面,至此,我国逐步形成了以 6x6MN 六面顶设备为特色的人造金刚石工业 体系。30 多年来,我国已形成压机约五千台、每年生产超硬材料 12 亿克拉以上 的运行规模,产量位居世界首位,人造金刚石的历年产量…发展趋势如 20 世纪 60、70 年代是研究开发、完善工艺阶段,舳年代是成熟发展阶段,90 年代是迅 猛发展阶段.[2] 1)市场状况 随着 20 世纪 70 年代初人工合成的块状金刚石的出现和 20 世纪 80 年代中期膜 状金刚石进入市场, 以及人造金刚石生产成本大幅度下降,金刚石耗用量急剧增 长,目前国际市场对人造金刚石总的需求量已超过 10 亿克拉。消费领域主要是 石材加工、混凝土切割、机械加工、玻璃加工、地质钻探、石油天然气开采以及 电子工业加工半导体材料、制作拉丝模等。 20 世纪 90 年代以前,我国人造金刚石的主要市场是机械、地质、石油、钻探等 行业,大约要占 60%~70%。20 世纪 90 年代以后,由于石材加工业的发展,带 动了人造金刚石工业的发展, 用于石材加工业的人造金刚石的数量直线上升,目 前其耗用量约占全国人造金刚石总产量的 70%左右。 近年来, 我国石油、 天然气开采持续热了起来, 特别是西部大开发对石油的开采、 西气东输等大型工程项目的建设,对金刚石工具需求强烈。根据近几年的地质钻 探任务量、水电、煤炭化工等统计资料推算,金刚石地质钻头的市场需求量估计 在 15~20 万只,耗用金刚石约 350~450 万克拉。石油钻探用 PCD 钻头国内生 产的复合片不能满足需求,且质量不过关,目前还需进口。因此,石油和天然气 开采业是一个看好的金刚石市场。 2000 年我国汽车产量达到 200 万辆,到 2005 年汽车产量将达到 350 万辆。 但到目前为止,国内机加工金刚石刀具很难满足汽 车行业引进的大量成套自动化生产线的需要,而要从国外进口。因此,国内机加 工刀具市场是今后有潜力扩大和占领的市场。[3] 近几年,我国通讯行业、陶瓷行业发展很快,而且今后的发展前景更好,因此, 拉丝膜及陶瓷用金刚石工具会大幅度增加,潜在市场很大。 目前, 我国积极开拓人造金刚石国际市场。象宜昌黑旋风牌金刚石圆锯片基体出 口德国预计可达到 100 万美元, 占全部产品的 18%~20%; 而生产金刚石工具的 老牌企业人工晶体研究所的金刚石激光焊接圆锯片出口美国可望突破 1 万片;保 定八达—稳德金刚石有限公司的人造金刚石出口已达 500 万美元, 订货仍络绎不 绝,产品销往美国、日本、欧洲、南亚等国家和地区 三、人造金刚石的产业链 石墨是人造金刚石单晶的原材料,由单晶可以进一步加工成微粉。人造金 刚石微粉添加粘结剂后, 经过超高压高温合成工艺可以进一步制成无特定排列方 向的聚晶金刚石材料, 聚晶金刚石材料是迄今为止发现的硬度最高、且各向异性 小、 加工性能好的复合超硬材料。聚晶金刚石和碳化钨钴硬质合金再经过超高压 高温可以复合成聚晶金刚石复合片,聚晶金刚石及其复合片一般属于深加工产 品,具有远高于其他超硬材料的利润率。 3.1 人造金刚石在我国的现状 1)我国人造金刚石产量占全球产量 90% 目前世界上生产人造金刚石的国家主要有:中国、美国、俄罗斯、韩国、爱 尔兰、南非和日本等 20 多个国家。如下图所示,我国人造金刚石产量位居世界 第一位,占全球产量的 90%。 上世纪九十年代起, 我国人造金刚石产业发展迅速,取代美国成为产量最大的人 造金刚石生产国。 导致这一现象的主要原因是我国具有自主知识产权的六面顶压 机设备及工艺逐渐成熟,带来明显的成本优势。[4] 我国生产人造金刚石主要采用六面顶压机, 而世界上其他国家主要使用两面顶压 机生产人造金刚石。 六面顶和两面顶技术各具优势,比较而言六面顶压机主要优 势为:制造成本低,整机价格及辅件价格便宜,设备运行成本较低,通过不断的 技术进步, 六面顶压机最大的消耗件硬质合金顶锤, 目前国内消耗水平均在 1kg/ 万克拉以下,顶锤寿命已达几万次的水平。相比之下,两面顶模具则消耗较多。 随着大型压机的使用, 六面顶压机使用的综合成本下降、规模效益高的状况尤为 明显。 2)我国人造金刚石行业发展迅猛 我国人造金刚石行业经过近 50 年的发展,目前已经形成年产近 100 亿克拉 人造金刚石、人造金刚石及其制品工业总产值 80 亿元左右、从业人员 2 万余人 的运行规模。最近 10 年我国人造金刚石行业发展迅猛,产量年复合增长率达到 21.45%。 出现这种持续高增长的原因主要有以下三点: 一是随着人造金刚石单价 的不断下降,低廉的金刚石价格推动了金刚石磨块大面积取代高耗能、资源型、 污染重的碳化硅磨块用于建材磨削,大大拓展了金刚石的应用领域;二是高效、 低碳、环境友好的金刚石工具被方兴未艾的房屋、高铁、南水北调等大工程越来 越多地采用; 三是物美价廉的中国人造金刚石被越来越多的国际客商所接受、国 际市场迅速扩大、出口量大幅增长。[5] 3)我国人造金刚石出口总量大单价低 我国人造金刚石出口量近十年也出现显著的增长,总量增加了 14 倍多。其 中 2002 至 2003 年出现负增长是由于当时中国政府将人造金刚石纳入钻石监管范 畴,导致出口渠道不畅,部分出口订单被延误,而 2009 年则是受到 2008 年金融 危机的影响导致出口订单大幅下降带来负增长。 目前人造金刚石出口量占到了我 [6] 国产量的 20%以上。 我国人造金刚石出口量巨大,但是单价一直处于国际上较低水平。以 2010 年美 国市场为例,如下图所示,美国 2010 年进口我国人造金刚石 4.6 亿克拉,排在 第二位的爱尔兰只有不到 0.7 亿克拉,但是爱尔兰人造金刚石的销售单价是我国 的 5.5 倍,这说明我国出口美国的人造金刚石中低档产品数量巨大,高档产品数 量很小,虽然我国在量上有明显的优势,但是出口总金额与爱尔兰比较接近。[8] 4) 我国人造金刚石行业形成寡头竞争格局 我国人造金刚石行业已经形成了中南钻石、 黄河旋风和豫金刚石三家公司占 据 80%以上市场份额的寡头竞争格局,中南钻石拥有 44.5%的市场份额,占据了 人造金刚石市场的半壁江山。在 2000 年以前,我国人造金刚石行业基本是黄河 旋风一家独大的局面,占据了 53%的市场份额,中南钻石当时的市场份额仅为 7%。2001 年中南钻石开发试验具有中国特色的粉状触媒合成技术取得成功,为 中南公司快速发展奠定了重要的基础。这项具有完全自主知识产权的技术,不仅 产品产量和质量大幅度提升,而且成本只相当于国外同类产品的 1/3。[9]该项技 术的诞生奠定了中南钻石技术创新领航者的地位。2006 年中南钻石生产金刚石 11 亿克拉,超过黄河旋风成为国内人造金刚石行业排名第一的企业。[7]在人造金 刚石这个高技术含量的行业里, 创新是企业发展的永动力,技术上的领先必然会 带来企业的超常规发展。 中南钻石在行业内的成功除了依靠技术创新之外,良好 的县域环境、产品标准的建立和高技术低成本也是取得成功的主要因素。 四、人造金刚石在我国未来的发展 郑州国际超硬材料及制品研讨会上, 最大范围地吹响了向超硬材料强国进军的号 角, 此后, 行业志士研究开发高品级金刚石及制品的步伐明显加快并取得了可喜 的成果。国内六面顶压机已从 6x12MN 发展到 6×20MN,6×31MN 的压机已研 制成功,更大吨位压机的研制已经启动。合成棒巳研制成功;当于 GE 公司ⅦBs 一 940 的金刚石,其性能指标明显优于 1998 年以前的产品。用粉末触媒与石墨 合成高品级单晶已取得突破,并已投入批量生产。引进的 60MN 两面顶压机已 投入商业运行,其产品已进人国际市场,已计划开发 35MN 及以上的国产两面 顶压机。制品方面某些品种已达到发达国家的产品水平,并开始批量出口,有的 产品甚至被允许打上某发达国家的标牌进入市场。 可以说我国人造金刚石行业近 [10] 年来已取得了骄人的成就。 展望二十一世纪,我国人造金刚石行业发展趋势 l、人造金刚石单晶的生产将进一步朝着规模化、集约化发展,缺乏资金和技术 支撑、没有特色的小企业将更加困难,甚至会逐步破产、倒闭; 2、金刚石行业属于普及型高技术行业,有远见的企业家将千方百计地招揽更多 的高智人才加入本行业: 3、利用 6x12MN 以上压机生产高品级金刚石的工艺将很快得以完善,六面顶压 机生产高品级金刚石的研究步伐将进一步加速, 高品级金刚石的生产比例将大幅 度提高; 4、随着六面顶压机大型化的研究进展,六面顶压机的极限吨位在二十一世纪初 叶即会明确; 5、二十一世纪初叶中国两面顶技术将有大发展,国产两面顶压机也将逐步实现 大型化, 引进的两面顶压机将全部投入商业运行,年轮式模具国产化率将大幅度 提高并逐步实现国产化,从而明显提高两面顶压机的产品产量; 6、合成高品级金刚石原、辅材料的研究将出现新突破; 7、金刚石行业标准将在二十一世纪初叶与国际按轨,金刚石的分选、检测技术 将会大幅度提高并日趋完善; 8、金刚石各种制品将向高品级发展,以满足日益提高的石材、玻璃、陶瓷、机 械等高精度加工的需求; 9、二十一世纪前期将逐步形成能与国际明星企业相抗衡的企业群体。 10、二十一世纪前期中国金刚石工业将实现由大转强的伟大目标。 参考文献 [1] 河北省保定市建材局,河北保定 071000 [2] Room 1008, A2, Tower A, Changyuan Tiandi Building, No. 18, Suzhou Street, Haidian District, Beijing, [3] 《珠宝科技》2003 年 03 期 [4] 国土资源部 咨询研究中心,北京 100035 [5] 技术与产品 356 期 8 月刊 王光祖 [6] 磨料磨吴行业生产概托(1972—1979).三磨所档案材料 [7] 98 年郑州国际赶硬材料厦制品研讨论文集; [8] 中国磨料磨县工业年鉴 1999 [9] 王箍先.磨削加工冷气冷却方法的一些试验研究.东北太学项士学论文 [10]超硬材料工程 第 25 卷 第一期 2013 年 2 月


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