金刚石及金刚石复合片用途与制造

金刚石复合片用途与制造江钻股份新材料事业部2002年7月23日第一章金刚石的世界一、宝石之王——钻石（天然金刚石）金刚石是最硬的物质，而且对光的折射能力最强，因此大粒的天然金刚石早成了“宝石之王”最大的钻石为1905年南非出产的钻石原石Cullinan，重达3106克拉，切割和琢磨成九颗宝石。其中有世界第一大钻石CullinanI（530克拉）及第三大钻石CullinanII（317克拉）。宝石之王——钻石（天然金刚石）（续）天然金刚石多产自从地球深处冒出地表的金伯利岩矿脉。金伯利岩原埋在地下130公里以下，其中所含的碳在5万大气压以上的压力下逐渐转化为金刚石。金伯利岩在接近地表时因压力降低而形成喇叭口状的矿脉，每10吨矿石才产出钻石1克左右，其中宝石级更只占1/10。二、材料极品——金刚石的特性性能用途硬度最大耐磨工具弹性模量最大高弹性弹簧抗压强度最大高压压头摩擦系数最小高速轴承声速最高喇叭振动膜折射率最大钻石饰品透光性最好X光观察窗热膨胀系数最小硅晶垫片热传导率最强散热薄片化学惰性最好表面防护，化学品器具能隙最大下一代半导体材料三、耐磨材料之冠（一）金刚石的硬度和耐磨性远远高于其它硬质材料，是目前加工高耐磨工件不可或缺的材料。见图：磨料的物理性质三、耐磨材料之冠（二）人造金刚石单晶工业天然金刚石三、耐磨材料之冠（三）金刚石砂轮石材切割锯片三、耐磨材料之冠（四）聚晶金刚石拉丝模聚晶金刚石复合片三、耐磨材料之冠（五）油井钻进PDC钻头聚晶金刚石刀具三、耐磨材料之冠（六）金刚石手术刀（刀刃放大图）聚晶金刚石轴承第二章金刚石的制造一、金刚石的制造历史由于天然金刚石产于地底深处，1953年起，从高压技术着手，以铁等金属为催化剂，在高温高压下将石墨转化为金刚石颗粒，大小40

m－1mm。目前全球市值约为15亿美元。1960年起，美国杜邦公司利用爆炸所产生的高温高压，把石墨在瞬间转化为金刚石微粒(＜10

m)1971年起，在高温常压下，由氢分子分解的原子将甲烷分解的碳催化成为金刚石，形成了低压气相沉积的金刚石薄膜（厚度＜1mm），揭开了金刚石发展暂新的一页。二、人造金刚石的合成主要设备是大吨位油压机，在装置中心产生几万个大气压的高压。压机通常为两面顶和六面顶结构。六面顶压机采用六个对向压的硬质合金顶锤，向位于中心的立方体合成块施压。该压机制造成本不高，易于投资，目前在中国大约有4000台，但金刚石单产只有10-20克拉，品级也不高。二、人造金刚石的合成（续一）两面顶压机是国际上进行高温高压合成的主体设备。采用两个硬质合金顶锤，和压缸配合形成体积较大的高压区。当前世界上使用的最大压机的压力为1.8万吨。单次可生产金刚石上千克拉。压缸通常用硬质合金制造，但压缸本身的强度不足以承受几万大气压的拉力，因此需要在外围另加几层高强度的过盈配合的钢环，使压缸受压到接近其抗压强度。工作时，顶锤上下加压，压缸胀回到接近其抗拉强度。此时压缸内组装块的压力可达到5万大气压以上。二、人造金刚石的合成（续二）第三章聚晶金刚石一、聚晶金刚石的制造大型的金刚石单晶合成时间往往达到几十个小时，并且金刚石的机械性能具有极强的方向性，随着方向的不同，硬度和耐磨性有极大的差异，这往往导致金刚石寿命降低或工件精度变差。通过高温高压方式，将小颗粒的金刚石烧结成块（PCD），时间大约半小时，制造