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硬度超天然金剛石 40%！六方金剛石如何改寫超硬材料格局
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2025-02-18 21:19:53
在材料科學(xué)這一廣袤的領(lǐng)域中，超硬材料始終是備受矚目的研究對(duì)象。其中，金剛石堪稱超硬材料的杰出典范。它匯聚了眾多卓越性能于一身，不僅具備極高的硬度，還擁有出色的耐磨性以及極高的熱導(dǎo)率等優(yōu)異特性。正因如此，金剛石不僅僅是深受人們喜愛的珍貴寶石，更被譽(yù)為“最鋒利的工業(yè)牙齒”，在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著廣泛且至關(guān)重要的作用。



近年來，隨著科技的持續(xù)進(jìn)步與發(fā)展，我國(guó)在人造金剛石領(lǐng)域的研究取得了一系列引人矚目的成果，為超硬材料技術(shù)的不斷發(fā)展注入了強(qiáng)大動(dòng)力。值得一提的是，吉林大學(xué)與中山大學(xué)的相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)緊密合作，在六方金剛石的合成方面實(shí)現(xiàn)了重大突破，這一成果無疑為超硬材料領(lǐng)域帶來了新的曙光和廣闊的發(fā)展前景。



1、六方金剛石合成：全新路徑與重大突破



吉林大學(xué)物理學(xué)院高壓與超硬材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、綜合極端條件高壓科學(xué)中心劉冰冰教授、姚明光教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)朱升財(cái)教授等開展的研究，取得了在超硬材料領(lǐng)域具有里程碑意義的成果。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了高溫高壓下石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑，并首次成功合成出高質(zhì)量的六方金剛石塊體材料，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其具備高出立方金剛石的極高硬度和良好的熱穩(wěn)定性。


                                                    




早在 1967 年，美國(guó)科學(xué)家于隕石坑中發(fā)現(xiàn)了一種珍稀的 “超級(jí)鉆石”，因其獨(dú)特的六方晶體結(jié)構(gòu)、與隕石共生的特性以及更為堅(jiān)硬的特質(zhì)而備受關(guān)注。然而，在過去的半個(gè)世紀(jì)里，人工合成純相六方金剛石一直是科學(xué)界長(zhǎng)期未能攻克的難題。



此次研究中，研究人員精心設(shè)計(jì)了高溫高壓實(shí)驗(yàn)，巧妙運(yùn)用激光加溫金剛石對(duì)頂砧技術(shù)，對(duì)石墨在 50GPa 超高壓高溫下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行了原位研究。研究發(fā)現(xiàn)，石墨在高壓力區(qū)間會(huì)形成一種名為 “后石墨相” 的高壓結(jié)構(gòu)，隨后通過局部加熱的方式，成功獲得了六方金剛石。



具體而言，研究團(tuán)隊(duì)在 30GPa、1400℃的實(shí)驗(yàn)條件下，成功制備出了毫米級(jí)高取向的六方金剛石塊材。對(duì)該六方金剛石塊材的性能研究表明，其具備出色的物理性質(zhì)。在硬度方面，其硬度高達(dá) 155±9GPa，超過天然金剛石硬度的 40% 以上；在熱穩(wěn)定性方面，在真空環(huán)境下其熱穩(wěn)定性可以達(dá)到 1100℃，明顯優(yōu)于納米金剛石的 900℃。



研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合大尺度分子動(dòng)力學(xué)理論模擬，深入揭示了石墨層堆疊構(gòu)型對(duì)形成六方金剛石結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用，有力地證實(shí)了石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石這一全新路徑的科學(xué)性和可行性。這一成果不僅為純相六方金剛石的人工合成提供了一種有效的途徑，同時(shí)也給出了六方金剛石能夠獨(dú)立存在的有力證據(jù)，為超硬材料和新型碳材料家族增添了性能更為優(yōu)異的新成員，為突破立方金剛石在應(yīng)用上的局限提供了新的可能。



2、性能優(yōu)勢(shì)凸顯：開啟超硬材料應(yīng)用新可能



六方金剛石所展現(xiàn)出的卓越性能，使其在超硬材料領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。從硬度這一關(guān)鍵性能指標(biāo)來看，其硬度超過天然金剛石的 40%，這一數(shù)據(jù)在超硬材料的應(yīng)用中具有重要意義。



目前，金剛石在工業(yè)領(lǐng)域的主要用途之一是作為耐磨材料，廣泛應(yīng)用于磨料、磨具等方面。從超硬材料產(chǎn)業(yè)鏈人士的角度來看，若未來六方金剛石能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，按照其硬度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)算，在相同的使用場(chǎng)景下，其用量相較于天然金剛石或立方金剛石有望減少 40% 以上。這不僅意味著在材料使用成本上可能會(huì)有顯著的降低，同時(shí)也體現(xiàn)了六方金剛石在性能上的優(yōu)勢(shì)，能夠以更少的用量實(shí)現(xiàn)相同甚至更好的使用效果。



除了硬度方面的優(yōu)勢(shì)，六方金剛石的晶體結(jié)構(gòu)與一般的立方結(jié)構(gòu)金剛石存在根本性的轉(zhuǎn)變。這種結(jié)構(gòu)上的差異，使得六方金剛石在其他性能方面也可能展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。從理論推測(cè)以及相關(guān)研究人員的分析來看，六方金剛石可能具有更好的導(dǎo)熱性。這一潛在的性能優(yōu)勢(shì)，為其在未來的應(yīng)用開辟了更為廣闊的空間，尤其是在半導(dǎo)體散熱等對(duì)材料導(dǎo)熱性能要求極高的領(lǐng)域，六方金剛石有望發(fā)揮重要作用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的集成度越來越高，散熱問題成為制約芯片性能提升的關(guān)鍵因素之一。六方金剛石若能應(yīng)用于半導(dǎo)體散熱領(lǐng)域，將為解決這一問題提供新的有效途徑，推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。



3、我國(guó)人造金剛石發(fā)展迅猛



近年來，我國(guó)在人造金剛石領(lǐng)域的技術(shù)突破呈現(xiàn)出頻繁涌現(xiàn)的態(tài)勢(shì)，不斷推動(dòng)著該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。







去年 12 月，北京大學(xué)東莞光電研究院發(fā)布了一項(xiàng)最新研究成果。該院與南方科技大學(xué)、香港大學(xué)組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在金剛石薄膜材料制備和應(yīng)用方面取得了重要進(jìn)展。他們成功開發(fā)出了一種能夠批量生產(chǎn)大尺寸超光滑柔性金剛石薄膜的制備方法。這一成果被視為在金剛石薄膜技術(shù)領(lǐng)域的一大飛躍，為未來金剛石薄膜在電子、光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。在電子領(lǐng)域，金剛石薄膜因其優(yōu)異的電學(xué)性能和熱學(xué)性能，有望應(yīng)用于高性能電子器件的制備；在光學(xué)領(lǐng)域，其高透明度和良好的光學(xué)性能，可用于制備光學(xué)窗口、透鏡等光學(xué)元件。



今年 2 月 10 日，寧波大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院潘益龍研究員聯(lián)合燕山大學(xué)高壓科學(xué)中心田永君院士團(tuán)隊(duì)及南京理工大學(xué)研究人員，成功合成出硬度達(dá) 276GPa 的超細(xì)納米孿晶金剛石塊材，再度刷新了材料硬度紀(jì)錄。這一成果進(jìn)一步展示了我國(guó)在人造金剛石領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力，也為超硬材料的研究和應(yīng)用提供了新的方向和思路。



我國(guó)作為人造金剛石的主要生產(chǎn)國(guó)，在人造金剛石的產(chǎn)量方面占據(jù)著全球主導(dǎo)地位，人造金剛石產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的 90% 以上。在技術(shù)層面，我國(guó)自主研發(fā)的六面頂壓機(jī)及整套生產(chǎn)技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。這些技術(shù)和產(chǎn)業(yè)上的優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)在人造金剛石領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新和應(yīng)用提供了有力的支持。



4、產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)與機(jī)遇



盡管我國(guó)在人造金剛石領(lǐng)域取得了眾多令人矚目的技術(shù)突破，但在將這些新技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的道路上，仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。



目前，人造金剛石的制備方法主要包括高溫高壓法（HTHP）和化學(xué)氣相沉積法（CVD）。對(duì)于一些新的技術(shù)和材料，如六方金剛石或 CBN（立方氮化硼）的制備，面臨著技術(shù)成熟度、設(shè)備材料匹配度以及成本控制等多方面的難題。以六方金剛石為例，其制備需要 10 萬帕以上的壓力，這比現(xiàn)在立方金剛石制備所需的壓力高出一倍。能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，關(guān)鍵在于所需的超高壓設(shè)備及模具，需要綜合考慮其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是否具有可行性。如果設(shè)備和模具的成本過高，或者在實(shí)際生產(chǎn)中難以穩(wěn)定運(yùn)行，將嚴(yán)重制約六方金剛石的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。



從新材料開發(fā)的一般規(guī)律來看，國(guó)際上存在 “雙十法則”（ten years, ten million），即新材料的開發(fā)通常需要十年的時(shí)間和千萬級(jí)別的資金投入。在產(chǎn)業(yè)化過程中，還需要經(jīng)過小試（實(shí)驗(yàn)室成果）、中試（小批量生產(chǎn)驗(yàn)證）、產(chǎn)業(yè)化（大批量工業(yè)化生產(chǎn)）這三個(gè)階段。在這個(gè)過程中，不僅要解決關(guān)鍵設(shè)備及配套材料的問題，還需要降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，只有這樣，新技術(shù)才能真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。



面對(duì)這些挑戰(zhàn)，我國(guó)的人造金剛石相關(guān)企業(yè)已經(jīng)積極行動(dòng)起來。力量鉆石、黃河旋風(fēng)、惠豐鉆石、國(guó)機(jī)精工、中兵紅箭、四方達(dá)、沃爾德等人造金剛石主要企業(yè)紛紛加大了技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)投入。



中兵紅箭的功能金剛石產(chǎn)品已可應(yīng)用于半導(dǎo)體、光學(xué)、散熱、量子等領(lǐng)域；力量鉆石的全資子公司與臺(tái)灣捷斯奧企業(yè)有限公司簽訂了半導(dǎo)體高功率金剛石半導(dǎo)體項(xiàng)目，致力于研究半導(dǎo)體散熱功能性金剛石材料；光莆股份投資的化合積電公司的金剛石熱沉片可用于芯片散熱。這些企業(yè)的努力和布局，為我國(guó)人造金剛石產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和希望，有望推動(dòng)我國(guó)在超硬材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從技術(shù)突破到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的跨越，在全球超硬材料市場(chǎng)中占據(jù)更重要的地位。

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