我國人造金剛石產量佔世界90% 但高端產業應用仍有短板
【觀察者網綜合報道】
科學網7月18日消息，以金剛石為代表的超硬材料及製品被譽為“最硬最鋒利的工業牙齒”。航空航天、國防軍工以及光伏與電子信息等領域裏的各種高難材料加工難題，在它面前都迎刃而解。
而在科學家的眼中，單晶金剛石不光是“工業牙齒”，還是“終極半導體”。在7月17日召開的中國超硬材料行業發展專題研討會上，有專家甚至表示，“沒有金剛石就沒有信息產業”。
作為一種新材料，超硬材料引領着我國高端製造業的發展。
截至2017年底，我國人造金剛石產量已佔世界總產量的90%以上，立方氮化硼產量已佔世界總量的70%以上，我國已成為名副其實的超硬材料生產製造大國。
但這些材料在一些高端產業的應用上，我國仍有一些短板。“量小、品種多的產品，企業都不想幹，可短板往往就在這些地方。”中科院院士田永君直言。
網易新聞“了不起的中國製造”圖（下同）
有望引發新一代半導體技術革命
在國家新材料產業發展專家諮詢委員會主任、中國工程院原副院長幹勇看來，超硬材料是新材料領域的一個重要而獨特的板塊，在國民經濟建設中有廣泛的應用。
“工業牙齒”名不虛傳。以金剛石車刀為例，其刃口圓弧半徑可以刃磨到連掃描電子顯微鏡也無法檢測，利用它來切削加工，往往可以直接獲得鏡面。
“利用金剛石超硬的力學性能，可加工世界上所有的已知材料。”中國機牀工具工業協會超硬材料分會高級顧問李志宏告訴《中國科學報》記者，“利用其無與倫比的熱光聲電性能，可用於航天員宇宙射線防護、尖端武器裝備隱身防腐、提高導彈飛行速度與打擊精度、大功率激光探測，可用作大規模集成電路及LED新光源熱沉等尖端領域。”
有的手機一打就發熱，温度一高就不工作，原因是它的半導體元器件不耐高温。集電學、光學、力學、聲學和熱學等優異特性於一體的單晶金剛石將解決這一問題。
金剛石電子器件相比其他半導體器件具有體積小、集成度高和無需製冷的優勢。北京航空航天大學材料科學與工程學院教授張濤相信，金剛石將引發新一代半導體技術的革命。
“默默無聞”的最前沿材料
“超硬材料是石油勘探與礦山開採、機牀機械與汽車製造、軌道交通、核電、國防軍工與航空航天重大工程以及光伏與電子信息等戰略性新興產業中不可或缺的高功能材料。”幹勇説。
不過，除了業內人士，這些並不為人們所瞭解。張濤打趣道：“最前沿的材料也是‘默默無聞‘的材料。”
截至2017年底，我國人造金剛石產量已佔世界總產量的90%以上，立方氮化硼產量已佔世界總量的70%以上，我國已成為名副其實的超硬材料生產製造大國。
儘管總體上目前我國超硬材料的產品質量技術已達世界先進水平，但幹勇坦言，“在一些高端產業上還有短板”。
比如在硬質合金棒料開槽砂輪領域，高端市場基本被美、日、德等發達國家壟斷，國內超硬材料砂輪製備技術雖然一直在發展之中，但砂輪鋒利度和保型性這一矛盾仍是開槽砂輪的一大難題。
“量小、品種多的產品，企業都不想幹，可短板往往就在這些地方。”中科院院士田永君直言。
這對超硬材料行業的創新活力、可持續發展構成挑戰。為此，田永君表示，國家在重視科研的同時，也應該向相關產業傾斜，高端前沿靠進口是不行的。
國產設備是關鍵
據清華大學材料加工工程系博士常松去年11月在網易新聞“了不起的中國製造”介紹，人造鑽石成本約為天然開採鑽石的一半。中國2016年人造鑽石產量逼近200億克拉。
中國合成金剛石在全世界佔據絕對優勢與自主研發的大型化合成壓機、優質硬質合金頂錘、粉末觸媒和間接加熱工藝（合稱粉狀工藝）的工業化密不可分。
大型化合成壓機是合成金剛石的核心設備，它要創造一個高温（＞1400℃）、高壓（＞5GPa）的合成腔體，依碳元素平衡相圖，在這個腔體內，使碳原子形成穩定的金剛石晶體。
國外常用的是單軸向壓力機，通稱兩面頂壓機，而中國則用互成90°的三軸向壓力機，這種六面頂壓機，靠鉸鏈式結構承載三軸向壓力。
國產鉸鏈式六面頂壓機
對於壓力機來説，最關鍵的零件就是組成合成腔的釘錘。頂錘要承受複雜苛刻的壓縮、剪切、拉伸應力的作用，加上加熱時瞬時錘面温度達500～600℃，要求近萬次反覆使用壽命，服役條件十分苛刻。目前，頂錘材料採用WC-Co合金。
中國從1965年設計製造這種六面頂壓機，迄今整個行業幾乎全採用六面頂壓機，並且開始被國外廠商引進。
有了合成的工具，接下來就是解決原料和工藝的問題了。合成金剛石需要的材料包括石墨和金屬觸媒，從2005年開始，整個合成金剛石行業都開始使用粉狀工藝，這種工藝是將石墨粉和觸媒粉的混合粉冷壓成合成塊，隨後脱氧處理，處理後的合成塊裝入葉蠟石的合成腔體中，靠兩端導電帽將大電流引入纏繞在合成塊周圍的碳質之類的薄件發熱體上，在合成塊周圍形成一個加熱爐。
功不可沒的門頭溝葉蠟石
任何材料的發展都離不開原料的支撐。葉蠟石是超硬材料生產必須使用且不可替代的保温、絕緣、密封和傳壓介質。
“我國葉蠟石礦藏雖有一定分佈，但北京市門頭溝區的葉蠟石礦因特殊地質成因被證明是最適合於超硬材料合成的。”中國機牀工具工業協會超硬材料分會技術專家委員會委員崔祥仁曾對我國葉蠟石的幾大主產區進行了採樣調查，結果發現，北京門頭溝葉蠟石的獨特性能是其他任何地區的葉蠟石無法替代的。
北京門頭溝葉蠟石屬高鋁型，其最大特點是在高温下絕熱性與導壓性能較之國內同類礦石更為優越，物理化學性能更為穩定。因而被最廣泛用於合成金剛石製造業，佔該行業用量的98%以上。
“門頭溝葉蠟石為我國超硬材料行業的起步、發展和壯大做出了不可磨滅的貢獻”，燕山大學材料科學與工程學院研究員王明智表示，“希望繼續秉持綠色、環保、可持續發展理念，在新時代為我國超硬材料行業發展做出更大貢獻，為國家戰略性新興產業的發展做出更大貢獻，為實現《中國製造2025》國家戰略目標做出更大貢獻”。
另據中國粉體技術網2107年3月資料，葉臘石又稱臘石，因各地的習慣名稱不一，稱為青田石、凍石、壽山石、雞血石、圖章石等。
●化學成分：一種含水的鋁硅酸鹽，化學式為Al2[Si4O10](OH)2，其中Al2O3的理論含量為28.3%，SiO2為66.7%，H2O5.0%；
●莫氏硬度：1.25；
●密度：2.65g/cm3；
●熔點：1700℃；
●顏色：呈白、灰白、淺綠、黃褐等色；珍珠或油脂光澤；有滑膩感；條痕白色；不透明或半透明；
●分類：葉蠟石、水鋁石葉蠟石、高嶺石葉蠟石、凝灰質葉臘石、含鐵葉蠟石；
●共生礦物：主要是石英、高嶺石、水鋁石，其次是黃鐵礦、玉髓、蛋白石、絹雲母、伊利石、明礬石、水雲母、金紅石、紅柱石、藍晶石、剛玉、地開石等。
●用途：人工合成金剛石用坯料（模具）、陶瓷、耐火材料、玻璃纖維、雕刻石等。
全球葉臘石資源分佈概況
世界葉臘石礦產資源總量約有4億噸，其中已探明的有2億多噸。日本、韓國和中國的儲量總和約佔世界總儲量的70%，三個國家目前佔全球葉臘石產量的90%左右。
中國
中國是世界上葉臘石礦儲量最豐富的國家之一，其已探明儲量僅次於日本和韓國。在福建、浙江、內蒙古、廣西、北京、廣東、四川、河北等地均有產出，主要集中於在福建、浙江。
福建葉蠟石儲量佔全國儲量的50%以上，主要有福州峨嵋葉蠟石礦、壽山葉蠟石礦、閩清白中葉蠟石礦等。
福州峨嵋葉蠟石礦是中國目前儲量最大的葉蠟石礦，宜作耐火材料用，年產工業葉蠟石2萬噸，雕刻用葉蠟石200噸。
浙江葉臘石礦主要分佈在青田、上虞等地，其青田縣葉蠟石探明儲量2000萬噸，遠景儲量達1.1億噸，主要以中鋁葉臘石為主，普遍存在鋁低、雜質含量多的特點。全縣現有葉臘石礦山6家，葉臘石加工企業約15家，主要以加工葉臘石粒子為主；每年開採的葉臘石原礦約為45萬噸，開採出的葉臘石有80%以上是用於低廉的陶瓷行業。
北京門頭溝葉蠟石礦牀屬高鋁型，其最大特點是在高温下絕熱性與導壓性能較之國內同類礦石更為優越，物理化學性能更為穩定，因而被最廣泛用於合成金剛石製造業，佔該行業用量的98%以上。
2016年1月，廣東梅州發現葉臘石礦藏197.58萬噸，而且礦石質量較好。
我國對葉蠟石的開發利用主要是用作陶瓷、耐火材料和玻璃纖維的原材料，少量用作塑料橡膠、造紙等行業的填料。質地堅硬、純度較高的葉蠟石作為玉石使用。
我國每年都有大量的葉臘石礦出口，但幾乎都是原礦產品，而各種填料級、塗料級等深加工產品生產至今末形成規模。
日本
日本葉臘石的年產量約為40萬噸，並且每年從中國進口約2萬噸葉臘石用於玻璃纖維。
韓國
韓國南部的全羅南道和慶上南道等省擁有豐富的葉臘石礦藏，大型礦位於光星、莞島、諾哈島，其葉臘石年產量約為92萬噸。
韓國葉臘石質量一般，總產量的60%用作水泥原料，其餘主要用於瓷磚、耐火材料及向日本出口。
其他國家
此外，澳大利亞、巴西、美國和加拿大等國亦有較豐富的葉臘石資源。