金刚石工业协会（精选五篇）
金刚石工业协会 篇1
1 引言
钻石 (Diamond) , 又叫金刚石, 有人说, 金刚石是上帝给人类的恩赐, 在自然界极为稀有, 最早在印度被发现, 主要产地在非洲、俄罗斯等。我国是个金刚石资源稀缺的国家, 为满足国家蓬勃发展的国民经济之需求, 必须走人工合成之路。天然金刚石资源是不可再生的, 开采一点少一点, 而人工合成的金刚石则是取之不尽, 用之不竭的。
当今用于金刚石合成的主流超高压装置, 一是以西方国家为代表的“两面顶”, 二是以中国为代表的“六面顶”。我们用“六面顶”不仅能商业化生产与国外同类水平的高品级金刚石;而且也可培育出宝石级金刚石, 从而打破了只有“两面顶”能生产高品级金刚石的神话, 改写了“六面顶”注定只能生产中、低档金刚石的历史。
随着金刚石合成技术研究工作的发展, 金刚石不仅仅是用静态高压高温触媒法能制得;而且用CVD法、爆炸法 (或称爆轰法) 同样能制取金刚石。用不同的方法所获得的金刚石不但具有共性, 更重要的是它们所显现出来的个性。
我们将用上述金刚石制成各类工具或制品, 以造福于现代科技、造福于现代工业与现代生活, 催生“金刚石时代”的早日降临, 在中国, 为了这个宏愿的实现, 业内人士渴望有这样一个民间组织, 她的名字叫“中国金刚石工业协会”。
2 金刚石在国民经济中的地位与作用
金刚石这一大自然给予人类的恩赐, 它不仅是美丽宝石之王, 更是材料之皇。
提起金刚石在国民经济各领域的出众表现, 必须先对金刚石的特性有个了解, 只有对金刚石的综合特性有一定的认识, 才有可能对它在国民经济中所起的重要作用有个深刻的理解。进而提升对金刚石材料在中国发展的理论意义和技术价值的认知。
金刚石都有哪些特性呢?人们都是这样评价的, 金刚石是加工业最硬的超级磨料及耐磨界面、电子业最有效的散热材料、半导体最好的晶片、通讯元件最高频率的滤波器、音响最传真的振动膜、飞行器最透光的雷达罩、眼镜片最防刮伤的护膜、机件最稳定的抗腐层等等。金刚石具备如此多的优点是其它任何材料所没有的, 毋庸置疑地成为人们所青睐的、最有用的工程材料与功能材料。超硬材料 (主要指金刚石, 还含立方氮化硼) 随着合成技术发展的多样化, 其在现代科学技术和现代工业中的应用选择机率越来越宽, 对国民经济效益快速增长的贡献率越来越大, 对传统产业技术水平的提升作用越来越显示出其王者的风范, 如此优秀的材料其发展前途定将灿烂、美好!
可是, 迄今很多人只要提及超硬材料, 大家立马想到, 不就是那个做砂轮、锯片、钻头用的单晶磨料级的金刚石吗。不过我们想要告诉大家的是, 那仅仅是金刚石材料用途的“冰山”之一角。如果大家对金刚石这个材料的认识只是停留在上述层面上, 那么我们要说, 大家对金刚石这个材料之王的了解就太少太少了。首先, 用CVD方法既可制得常规金刚石膜, 也可获得纳米金刚石膜。CVD金刚石膜与静态高压高温触媒法制得的单晶金刚石一样, 具有很好的力学、热学、光学、电学等性能, 目前已经广泛应用于各个领域, 将成为未来金刚石材料发展的主流, 不仅可以带来巨大的经济效益, 更为重要的是把金刚石材料的全方位特性应用发挥到极致。纳米金刚石膜将成为CVD金刚石研究的一个热点。
从上个世纪90年代后期至今, 各类用途的CVD金刚石材料及相关工具产品, 已经工业化生产并在不断扩大其产业化规模。CVD金刚石应用领域的不断拓展, 多种形式的CVD金刚石产品, 正逐步从实验研究阶段向实际应用的工业化, 市场化方向转变。由于CVD金刚石膜具有独特的力学、光学、电学和声学特性, 用途广泛, 以至于通讯、电子、微波等领域也加快应用的步伐, 所以其应用前景和潜在市场极为广阔, 相信CVD金刚石及其制品的广为应用, 一定会对世界经济的发展产生举足轻重的作用。
从国际经验看, 发达国家以建筑业和汽车工业为支撑的发展, 一般持续好几十年的时间, 可以说, 我们正面临一个非常好的中长期经济发展的重要机遇。随着国家城市化进程的加快, 随着城乡居民生活水平的持续提高, 建筑建材行业的发展速度不会降低, 金刚石行业一定会快速跟进这种增长速度, 建筑建材所用工具的市场空间会越来越大。
金刚石制品市场需求不断增长, 至2005年, 全球金刚石工具年市场总容量近100亿美元, 其中以金刚石钻切工具的应用最为广泛, 约占市场总容量的70%。
金刚石工具市场按其产品特征与市场竞争, 可划分为高档专业市场和低挡DIY市场两级。目前专业市场主要集中在北美、欧洲和大洋洲等发达工业国家。专业金刚石工具由于对制造设备要求高、投资大、工艺技术难度高, 其市场目前主要由欧、美、日等所垄断。产品售价高、获利丰厚。
金刚石工具制造业的重心正在经历由制造费用昂贵的西方欧美国家向原材料、劳动力成本相对低廉的亚洲国家不可逆转的转移, 特别是向中国和韩国转移, 其中低挡的DIY产品转移已基本完成;而中、高档专业产品生产向亚洲的转移已开始启动。未来几年里专业金刚石工具生产将迎来这一转移的高峰, 也是中国厂家面临“跨越式发展的历史机遇”。谁首先在产品技术上做好积累与准备, 谁便能抡占先机, 在这一转移中受益[1]。
美国工业金刚石协会执行董事长Mr.Terry Kane说, 他“经历了20世纪70、80、90年代的发展直到进入新千年, 这几十年中, 越来越多的新产品如雨后春笋般不断涌现出来, 大大超过了前辈科学家的想象”。中国也将成为新的行业的先行军, 因为伟大的构想和全新的技术是没有国界的。知识和技术一代代地传递下来, 继承与发扬并存。我们必须不断探索、求知和成长。今天的科学家将我们与未来的发展、后辈的成长联系在了一起。新材料、新应用、或是新技术, 谁也不知道下一个伟大的发现将会是什么。我们充满了好奇心和求知欲, 将来会出现比金刚石还硬的研磨材料吗?或出现一种新的工件材料比现在航天领域使用的所有材料更坚固、更轻便?……谁知道呢?然而, 不管是什么新材料的出现, 都离不了金刚石磨料的切割和加工[2]。
3 金刚石材料与其制品行业现状
中国科学院院士邹广田指出, 中国科学家在十分简陋的条件下成功合成了金刚石, 这是我国科学发展史上光辉灿烂的重大科学成就之一!确实, 我国的数代科学家和工程技术人员艰苦创业、不懈努力、不畏艰险、勇往直前, 不仅为我国超硬材料行业的形成与发展奠定了越来越厚实的基础, 而且为我国机械、电子、地质钻探、石油开采、石材、建材、公路、桥梁、房屋建筑和高技术等诸多工业的发展作出了卓越贡献。超硬材料已经形成由叶蜡石采矿、石墨纯化、金属触媒冶炼, 到人造金刚石、立方氮化硼、PCD、PDC、CVD、纳米金刚石、宝石级金刚石以及由此形成的各类加工工具科研和生产的庞大体系。我国已成为该领域的世界生产、消费和出口大国, 对世界超硬材料产品的生产格局产生了重大影响。特别是超硬磨料的生产已占全球年产量的80%, 部分产品已达到世界先进水平[3]。
但是我们也清楚地知道, 在这个领域我国与发达国家的技术差距仍然非常明显, 要想赶超世界发达国家, 中国还有很长的路要走。邹广田院士因此还指出:“除机械性能外, 金刚石在热、光、电等方面的优异物理性能已逐步用于各类高新技术领域。金刚石及相关工具的每一个进步都将惠泽全世界人民。我们盼望着21世纪成为金刚石崛起的世纪。”
中国机床工具工业协会总干事长吴柏林说:“经过45年的发展, 中国超硬材料行业已形成了包括人造金刚石、立方氮化硼及其各类工具产品的完整而庞大的工业体系, 不仅引起了传统加工工业的革命性变革, 而且推动了石材、建材、机械、电子及军工等行业的迅速兴起和蓬勃发展, 为整个国民经济的发展作出了巨大的贡献, 也为世界超硬材料行业及用户的发展作出了应有的贡献!。”[4]历史证明, 走具有完全自主知识产权的、独特的六面顶压机生产超硬材料的道路是符合中国国情的, 也是中国超硬材料行业得到迅猛发展的重要保证!
近年来, 我国CVD金刚石的产量和质量都有很大的提升, CVD金刚石膜制品的开发工作也正在积极有效的进行, CVD金刚石及其制品正在逐步进入市场, 但市场总体规模比预期的要低, 特别是在世界总市场中所占比例还很低, 产品结构也以低级别的工具材料和工具产品为主, 主要原因是:CVD金刚石生产成本仍然很高;有待于用户的逐步认识和接纳;产品质量的稳定性仍存在有待解决的技术细节难点。在此我们只是想告诉大家, 作为21世纪的高新技术材料, CVD金刚石膜材料的应用领域极为宽广, 可开发的制品种类非常之多, 市场潜力巨大。
再则, 用动态超高压、高温的方法来获取纳米金刚石单晶与多晶纳米金刚石今后的发展领域也很广阔。纳米材料, 当然其中包括纳米金刚石材料。纳米金刚石在超精密抛光、润滑技术、复合镀技术、表面工程技术、生物与医药工程技术等等领域, 都有用武之地。
我国已经建立并运行多年的国家超硬材料重点实验室, 国家超硬材料及制品工程技术研究中心、国家超硬材料产业基地及一批国家级的企业技术中心, 多所大学也建有相关的实验研究中心, 这些机构中聚集了一批高学历、高素质、高水平的教学、科研和实验人员, 加上不断有从海外学成归国的博士后、博士加盟, 应该说, 我们已形成了一支宏大的高素质人才队伍, 为向超硬材料强国冲锋奠定了坚实的人才基础。
纵观45年的发展历史, 中国的金刚石行业已经完成了从无到有, 从小到大的发展厉程, 已经进入从弱到强的新的发展阶段。中国的宏观经济形势持续向好, 中国的加工制造业逐步成为世界制造中心, 作为向制造业提供磨料和工具的超硬材料行业迎来了前所未有的发展机遇。
从表1可以看出, 行业工业总产值、金刚石产量、cBN及微粉产量和各种制品产值虽然每年增长不平衡, 但总体上都在高速增长。6年间工业总产值增长了2.7倍, 金刚石产量增长了1.7倍, cBN及微粉产量增长了5.2倍, 各类制品产值增长了3.1倍。超硬材料行业总体增长水平高于国民生产总值增长水平, 属于高速发展行业。
如果说, 2003年以前主要是中国金刚石产量上升阶段, 而2003年以后则主要是质量的提高阶段, 由此我们可以看到超硬磨料赶超世界先进水平和实现超硬材料强国的希望。
从TI、TTI检测指标来衡量, 水平基本达到发达国家最高档产品指标, TI-TTI≤3%, 单产比例可达10%;次高档产品的TI-TTI值≤10% (见表2) , 且达到了产业化水平。
陈哲在“金刚石工具行业现状及出路”的讨论时指出[6]∶
(1) 使金刚石工具由当初的“贵族”产品, 逐渐“平民化”。
(2) 加强企业产品技术自主创新能力, 实现金刚石工具由“中国制造”向“ 中国创造”转变, 这不仅是企业生存之道, 更是我国金刚石工具产业整体做强的根本出路。
(3) 由粗放式经营向集约式经营转变。主要在三个高效化, 即在生产高效化、管理高效化和人力资源利用高效化方面有所作为。
(4) 打造中国金刚石工具的自主国际品牌, 是我们所有同仁的梦想, 也是我国金刚石工具产业真正走向世界的必由之路。
(5) 下一步, 第一是要进入22%的创新型产品市场;第二是要进入28%的品牌市场。
4 需要组建“中国金刚石工业协会”
由于工业行业协会, 具有民间性、行业性、服务性、公正性和国际对应性的基本特征, 随着我国改革的深化, 政府职能的逐步转变和社会主义市场经济的建立和完善, 其桥梁和纽带作用日显重要, 是促进先进生产力发展不可忽视的力量。
(1) 为适应以企业为主体及与国际接轨的需要、能够承担得起引导金刚石这个跨国民经济众多领域行业又好又快发展的需要、规范行业有序健康发展的需要, 以及组织行业有利有节的参与激烈的国际市场竞争的需要, 应该组建“中国金刚石工业协会”。
(2) 温家宝总理在2006年召开的全国科学技术大会上的重要讲话中强调, 要使企业真正成为技术创新的主体, 就要加快建立以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系。因此我们认为, 随着超硬材料生产方法的多样化, 金刚石派生多种性能, 使得其制品的应用领域更加广阔化, 我们认为, 组建以行业龙头企业领衔的中国金刚石工业协会是适时的, 符合国家充分发挥企业作用政策的。
(3) 超硬材料在材料学科中是一个非常重要的分支, 鉴于超硬材料具有许多其它材料不可比拟的特性, 所以有材料之王的美誉。金刚石及其制品可以毫不夸张的说, 是个十足的跨国民经济几乎所有的工业领域, 其应用领域十分广泛, 且对现代科学技术与现代工业的发展之贡献率越来越大, 永远不会衰落的阳光工业。为了让这个阳光工业高水平、高速度、更健康的发展, 我们应站在战略的高度和用战略的眼光来进行整合与定位。实践业已证明, 没有一个国家级的工业协会, 对金刚石工业的发展是极为不利的。
(4) 广东奔朗超硬材料有限公司尹育航董事长很有感受的说, 在金刚石制品的这个领域里, 有时我们跟磨料磨具在一起, 有时是五金工具, 有时又是各种切割的工具, 有时又当作耗材, 因其归属十分广泛, 给人以混乱、迷惘之惑。我们行业究竟应该怎样定位?由于金刚石材料是材料科学的一个重要分支, 而且还是一种复合材料, 有金属基的、陶瓷基的、树脂基的, 包括电化学的, 是一个多种材料交叉的学科。因此, 建议应该定为金刚石材料工业。定位于金刚石材料工业, 有利于沿着产业链的上下游纵向, 系统化、工业化地联系起来。关于我们行业的规模, 国内上下游加在一起, 有人说可能是一百多亿, 也有人说是两百亿。实际上, 如果沿着一个工业的产业链进一步整合发展, 其产出不应该是一两百亿。而且这样的定位还有利于旨在行业的各种活动和国家政策上争取各方面的便利。我们这个行业虽小, 但在国民经济的宏观体系中, 应该是一个最有希望成为在国际竞争中具有区域或者是国家产业竞争优势的一个领域或者说一个行业。换句话说, 也就是打造金刚石材料这条产业链, 在该领域使中国成为世界的中心, 成为世界的强者。我们应该围绕着材料科学的重要分支这样一个理念, 在金刚石工业这一名称下去统一或者是整合, 使我们这个行业更加系统化[7]。
(5) 国外如美国日本等国, 他们就叫金刚石协会或金刚石工业协会。组建“中国金刚石工业协会”就是要更有利于对口交流和开展国际合作。
(6) 现在我们的金刚石材料工业, 归属中国机床工具工业协会旗下的一个分会, 是我国金刚石工业发展过程中受条条块块制约的历史产物。随着金刚石及其工具 (或制品) 以及应用范围日新月异的发展, 原来的组织形式越来越显示出它的局限性。
为了中国金刚石材料这个新型行业的又好又快的科学发展, 我们认为, 组建“中国金刚石工业协会”条件已经具备, 时机已经成熟, 应该与时俱进了!
参考文献
[1]刘一波, 陈哲, 等.金刚石工具国际市场现状的几点认识和建议[C].中国超硬材料发展论坛论文集, 2008, 6:29-33.
[2]美国工业金刚石协会执行理事长Mr.Terry Kane.开幕式致辞[J].中国超硬材料, 2008 (3) :11-12.
[3]邹广田.序言[C].笫五届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集, 2008, 9.
[4]中国机床工具工业协会总干事长吴柏林.开幕式致辞[J].中国超硬材料, 2008 (3) :9-10.
[5]李志宏, 赵博, 等.骄人的成就光辉的未来[C].第五届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集, 2008 (9) :1-16.
[6]陈哲.金刚石工具行业现状及出路—挑战、机遇与使命[J].中国超硬材料, 2008 (3) :29-32.
金刚石工业协会 篇2
2008年由美国次贷危机引发的世界金融海啸于2009年波及全球,各行各业无不受其冲击,许多国家特别是工业发达国家陷入经济发展之困境。美国在金融危机前即2007年工业金刚石产量为1.3亿克拉,金融危机后的2010年骤降至0.93亿克拉。而2009年我国的人造金刚石产量仍以16%的年增长率达到50亿克拉以上,引起了国际工业金刚石业界和媒体的瞩目。据英国商业调研与咨询公司称:“中国和印度对工业金刚石的需求量每年以10%～15%增长,中国仍然是全世界最大的人造工业金刚石生产国(非人造宝石级金刚石生产国),年产量超达40亿克拉。”另据美国商业资讯2011年5月在伦敦发布的评论称:“中国以年产超40亿克拉的人造金刚石仍稳定居世界最大生产国之位,而美国仍是全球人造工业金刚石的最主要的生产和出口国。”请注意以上评论之措辞,言下之意是中国还没能掌握最先进的金刚石合成技术。
面对当今国际工业金刚石的发展形势,我国将如何从人造金刚石生产大国迈向工业金刚石技术强国之列呢?
中国和美国都是幅员辽阔、人口众多的国家,也都是天然金刚石资源匮乏的国家。当今美国是工业发达国家和工业科技创新型国家,我国是发展中国家,正在向工业化迈进,正在从“中国制造”向“中国创造”发展;美国是高速公路网高度发达的国家,是汽车、飞机等交通运输工具的生产大国,我国正在加速公路网的建设,汽车、飞机和铁路列车等先进交通工具制造业正在腾飞;美国是世界上空间技术最先进的国家, 而我国的宇航技术正在突飞猛进……纵观美国上述领域的成功发展无不借助于工业金刚石技术的开发与应用。因此探寻美国工业金刚石发展之轨迹并加以剖析,从中获得可借鉴之处不无裨益。
1 美国天然金刚石资源与工业金刚石来源
美国幅员广大,但金刚石矿极其稀少。1995年只在科罗拉多州的Fort Collins 发现金刚石矿,是一个世纪以来在美国本土发现的第一个有开采价值的金刚石矿,该矿于1996年投产,2/3为宝石级金刚石,只有1/3用作工业金刚石,储量未曾公布,不过该矿已于1997年末关闭。可见美国工业用天然金刚石长期以来一直依赖进口。
美国工业金刚石行业之形成是与其工业化进程息息相关的。19世纪初,美国开始工业化,从南北战争到第一次世界大战不到50年的时间,美国从一个农村化的共和国成为城市化国家。第一次世界大战给美国带来大量财富,从而实施以机器代替手工生产,并开始建设全国铁路网。1913年美国福特汽车公司首先启用流水装配线的批量生产方式,使虽然发明于欧洲的汽车,但在19世纪30年代的美国获得大发展。随之美国的高速公路网建设也拉开了帷幕,逐渐取代铁路而成为美国的主要交通系统。
在第一次世界大战期间,美国的工业金刚石消耗量为11.50万克拉至24万克拉。但到了上世纪30年代中叶,美国工业化进程加速,工业金刚石的消耗量增至95万克拉,占全球工业金刚石产量的9.5%。
第二次世界大战爆发,军工产业带动了美国的经济发展,使美国意识到要走上工业化强国之路必须发展工业金刚石,而美国恰恰是天然金刚石奇缺的国家,工业金刚石不得不依赖进口。从战略考虑,美国一方面大量进口天然金刚石,部分作为战略重要物资常年储备,另一方面发展人造金刚石。
美国储备金刚石的机构是国防部属下的国防储备署(NDS)。储备的金刚石品种包括粒度大于60目的和用作拉丝模的坯料,数量达几百万克拉,且逐年增加。但根据国际市场情况,其储备量是灵活的,有时还抛售一定量的储备金刚石。
为了发展人造金刚石,早在1941年美国GE、Norton和Carborundum三家公司就联手研究金刚石人工合成技术,在二战期间曾一度中断研究工作,而作为中立国的瑞典其ASEA公司在1949年也秘密研究人工合成金刚石,于1954年研制成功,但不曾宣布。美国至1951年才恢复研究工作,于1955年首先公布合成人造金刚石。从此以后,人造金刚石开始成为美国工业金刚石的主要来源。
美国于1958年开始商业化生产人造金刚石,从此逐步以人造金刚石取代原先进口的bort碎粒和其它天然金刚石细粒和微粉,而依旧进口20目以粗的天然金刚石,同时也进口一定数量的人造金刚石。
2 美国工业金刚石的消耗量与产量
19世纪末美国矿藏勘探开始应用金刚石钻探技术。20世纪初美国汽车工业起步。在一战期间美国工业金刚石年均消耗量为18万克拉。二战前夕即1938年美国工业金刚石消耗量增至95万克拉。当年全球工业金刚石产量约为1100万克拉。第二次世界大战之战场不在美国,美国本土工业不但没有遭受损失而且促使军工产业得到快速发展。到了1950年美国工业金刚石消耗量达到1100万克拉,同年全球工业金刚石产量也只有1260万克拉,可见半个多世纪以来美国一直是世界上工业金刚石的消耗大国。
二战后美国的汽车、飞机、机械制造、公路交通、建筑、石材、采矿、油气勘探等行业蓬勃发展。战后美国的工业总产值占到了世界总产值的一半以上。因此进口天然金刚石的数量逐年增加,各种金刚石工具的使用量也逐年增加,从而催生出了天然工业金刚石回收行业。
1958年美国回收的工业金刚石量达100万克拉,工业金刚石消耗量仍保持在1000万克拉以上,而生产的人造金刚石只有130万克拉,因此仍需进口1005万克拉天然金刚石以满足消耗与战略储备。
随着民用与军事工业以及科学技术的发展,美国的工业金刚石发展迅速。1960年工业金刚石产量为200万克拉,1970年增至1300万克拉,到1980年已突破5000万克拉。这一年美国消耗的工业金刚石为4310万克拉,回收的天然工业金刚石为300万克拉,进口工业金刚石(含天然的与人造的)为2185万克拉。
表1所列为美国上世纪90年代工业金刚石产量、回收量、进口量、消耗量与全球工业金刚石产量。
从表1可看出,20世纪90年代美国工业金刚石(实为人造金刚石)产量逐年稳步增长,至1993年才突破1亿克拉。而我国人造金刚石产量却于1992年突破1亿克拉超过美国。
表2为21世纪前10年美国工业金刚石产量、回收量、进口量、消耗量与全球工业金刚石产量。
从表2可看出,美国人造金刚石最高年产量是在2004年,达到2.52亿克拉。但在金融危机前几年,其产量几乎降了50%,从而加大了进口量与回收量以满足不断增长的消耗量。2009年金融危机全线爆发,美国人造金刚石年产量甚至降到不足1亿克拉,消耗量也大幅度下降,但仍占世界工业金刚石总产量的相当部分,因此美国仍然是世界工业金刚石的主要市场。
2010年美国工业金刚石总产量还徘徊在0.93亿克拉上下,不过,多年来美国人造金刚石占工业金刚石的用量已达到93%～98%,应指明的是,自从人造金刚石商业化生产之后很快就成为重要的工业金刚石来源。全球生产人造金刚石的国家有20余个。由于涉及商业机密,一些国家和私管企业未公布其年产量,全球工业金刚石实际总产量应该大于表1,表2所列数字。
值得注意的是,美国为了满足本国工业与科技发展之需,生产的人造金刚石中60目以粗的占了大部分,只有少量依赖进口;而所需的细粒和微粉,本国虽有一定产量,但绝大部分依靠进口。因为60目以粗的工业金刚石对国家的工业和科技发展举足轻重,而60目以粗的工业金刚石在国际市场上一直供不应求,所以美国发展工业用HPHT金刚石的战略方针从一开始就是以60目以粗的为主,60目以细的则以进口为主。近5年来美国60目以粗和以细的工业金刚石产量、消耗量、进口量如表3和表4所列。
表3、表4中的产量全为人造金刚石;消耗量、进口量和回收量则包括天然工业金刚石(bort)。表4中60目以细工业金刚石包含细粒、微粒和微粉。从表3表4可看出,在美国的工业金刚石消耗量中,60目以细的进口量占71%～85%,60目以粗的只占3%～4%。
据美国地调所的统计资料,2005至2009年美国每年从中国进口的工业用人造金刚石占57%～63%,同时也从其它国家如爱尔兰、俄罗斯、韩国等进口,而进口的60目以粗的工业金刚石主要是博茨瓦纳、南非和纳米比亚的天然工业金刚石。
3 美国工业金刚石的生产沿革
美国目前生产的工业金刚石包括:回收的金刚石、HPHT金刚石、CVD金刚石和UNCD,但不生产DND。
3.1 回收的金刚石
美国是个天然金刚石资源匮乏的国家,向来不生产天然工业金刚石,自工业发展初起一直进口天然金刚石。随着天然金刚石工具的大量使用,金刚石回收行业遂应运而生。在推广人造工业金刚石之前,美国的工业金刚石完全依赖进口和回收的金刚石。回收金刚石主要是从油气钻井、地质勘探等用的天然金刚石钻头和扩孔器以及机加工用的各种金刚石刀具和其它含金刚石的报废物件中回收较大颗粒的。后来回收工艺日臻完善,即使小颗粒的天然金刚石也在回收之列。应指出的是,到了上世纪90年代末,除了回收天然金刚石之外,竟然也回收人造金刚石。90年代初美国开始生产PCD(聚晶金刚石)以取代天然金刚石和碳化钨硬质合金应用于固体矿藏和油气勘探用的钻头和扩孔器、单刃和多刃工具以及拉丝模等,其用量逐年猛增。1994年从事生产PCD的公司只有3家,1997年为6家,1998年增加到9家。从1997年起,美国开始从生产PCD过程中的残留物回收人造金刚石。
上世纪80年代美国工业金刚石(天然的)最高回收量为300万克拉,90年代最高回收量(含人造金刚石)达到2500万克拉,本世纪前10年最高回收量是在2006年,达到3475万克拉。
3.2 HPHT金刚石
上世纪50年代初美国GE公司研制成功人造金刚石之后于1955年成立GE超硬磨料公司开始生产人造金刚石供工业之用,并很快成为世界上主要的人造工业金刚石供应商。到90年代初期,美国用HPHT合成法生产金刚石的公司除了GE Superabrasives 之外,还有Du Pont Industrial Diamond分公司和Superhards公司。此时GE公司也在海外设厂生产。到90年代末GE已成为全球最具规模的工业金刚石生产厂家之一,不过在此期间,美国采矿业和石油业等所需的60目以粗的工业金刚石仍有很大一部分是天然金刚石,因为粗粒度的HPHT金刚石的产能远未满足需求。
2003年GE Superabrasives被一家私人投资公司并购而成立Diamond Innovatives公司,专门生产HPHT金刚石、cBN和PCD,并着力研究粗粒HPHT金刚石的合成工艺。其产品在宇航、汽车、建筑、电子、石材、油气钻井、玻璃等行业广泛应用于金属及合金、玻璃、陶瓷、复合材料等的切削、磨削、钻削和抛光加工。该公司在爱尔兰等也设有大规模生产厂,并在德国建立应用研发中心。
2004年美国内政部确认生产HPHT金刚石的企业只有Diamond Innovatives和Mypodiamond两家公司,年产量达到2.52亿克拉以上,并认为美国已成为全球最大的合成工业金刚石生产国之一。直到2010年,美国的HPHT金刚石全部产自这两家公司。
3.3 CVD金刚石
上世纪50年代,最先研究CVD法合成金刚石的是苏联和美国。20世纪50年代也是苏美两个超级大国展开空间技术竞争的年代。70至80年代,科学技术和工业技术发展迅猛,当时HPHT合成金刚石的方法已不能满足高端科技领域对大块度金刚石的需求,例如高性能光学窗和电子器件的散热片等。多年来用天然金刚石制作的高性能光学窗或散热片绝大多数的尺寸没有超过5mm,因为成本非常高昂。1978年美国发射的先锋号金星探测器上的主压力传感器的光学窗直径为18.2mm,厚度为2.8mm,是迄今为止用天然金刚石制作的最大光学窗。用HPHT法合成大颗粒单晶金刚石的粒度最大可达38.4克拉,不但成本十分昂贵,其尺寸也远未能满足先进科学技术和工业发展之需求。而美国空间技术和军工部门对大块度工业金刚石的需求有增无减,而且常年重金收购与储备。从战略考虑,不掌控大块度工业金刚石的生产技术将处于军备竞赛与高端科技发展的被动地位。为此引发美国对研制CVD金刚石的重视。CVD金刚石的最大优点是可以沉积生长成大块度、可以具有所需的形状与特定的性能。到上世纪80年代末,美国有30多家公司注资研究CVD金刚石及其商业化生产的可能性。但到了90年代中期,许多美国公司在CVD金刚石的研制中由于经济效益等原因而纷纷下马。不过1990年成立的Apollo公司一开始就着眼于用CVD技术沉积生长高纯度宝石级金刚石并取得突破,嗣后又扩展至CVD金刚石在工业和科技中的应用研究。随之,以开发应用CVD金刚石各种优异性能为宗旨的DP3公司于1993年成立。该公司生产的CVD金刚石用于热控元件、切削工具和金刚石镀层技术等,采用的是自行研制的热丝化学气相沉积装置。
2002年,De Beers在《科学》期刊上发表了有关CVD金刚石电子性能的论文,引起了工业发达国家特别是美国对CVD金刚石在工业和高科技应用潜势的关注。2003年美国Apollo公司研究各种CVD技术,包括热丝(hot filament)、直流电弧等离子(D.C.plasma)、射频等离子(R.F.plasma)和微波等离子(microwave plasma)技术。2004年Apollo研制出大颗粒CVD金刚石单晶作为人造钻石供应市场。2005年生产出具有优良光学、电学和力学性质的CVD金刚石应用于工业和高科技,并取得有关可控CVD金刚石结构的专利权。此时美国已注意到CVD金刚石的重大应用潜力还在于超高速电子计算机技术。超高速电子计算机是发展现代军工和空间尖端科技的重要手段。CVD金刚石作为现代半导体的实用材料也必须生长成大尺寸的晶片。为此,近些年来Apollo公司一直致力于高纯度大尺寸CVD金刚石的研制。
3.4 UNCD
20世纪90年代初,美国阿贡国家实验室研制成功纳米微晶金刚石膜(nanocrystalline diamond film)。这种材料既具有金刚石所固有的物理化学特性,又具有纳米材料的共性,因此作为功能材料在尖端科技的应用引起科学界的广泛兴趣。进入21世纪初,美国阿贡国家实验室又研制成功超纳米微晶金刚石膜(ultrananocrystalline diamond film),可应用于能源、生物技术和信息技术等全世界备受关注的前沿科技。为了将超纳米微晶金刚石投入商业化生产,美国于2003年12月成立了ADT公司,目前ADT公司生产的超纳米微晶金刚石已用于制造增强型机械密封装置,用于各类型泵等机器的密封可显著提高使用寿命并降低摩擦从而节省能源。据美国能源部的估计,该项技术推广后每年将可节约能源达数万亿个英制热量单位。用超纳米微晶金刚石制造的大功率无线宽带通讯集成电路片的尺寸可比现有标准型的尺寸小得多,而且消耗的功率是标准型消耗功率的1%。用超纳米微晶金刚石制造生物相容性敷层材料用于制作植入人体的人工器官,前景非常可观。据称ADT公司已作出规划加大投资以确保超纳米微晶金刚石尽快批量投放市场。
3.5 DND
DND即爆轰纳米金刚石(detonation nanodiamond)。
纳米金刚石是本世纪最具科技应用潜力的多功能材料。随着纳米技术研究与开发应用的兴起,纳米金刚石作为一种纳米材料于上世纪80年代末引起科技界的瞩目。其实,早在上世纪60年代初美国用爆轰法合成的“卡邦”(carbonado)型聚晶金刚石微粉中已发现粒度为3～10nm的纳米金刚石晶粒,但后来一直未实施过商业化生产。
DND的生产与应用涉及许多技术问题。因为DND是一种非均质的多分散性材料,其中含有很多石墨等非金刚石的碳物质,必须进行综合、提纯、弥散、分级、改性等技术处理,所以难于达到像HPHT金刚石那样经济上可行的规模化生产水平,而且这种纳米金刚石粉的应用范围有限,主要用作精研磨料和添加材料。为此美国没有发展爆轰法合成金刚石。
摘要：根据美国金刚石资源、工业金刚石消耗与产量、天然工业金刚石与人造工业金刚石的生产沿革以及工业金刚石应用领域与未来发展趋势剖析美国工业金刚石的发展轨迹。文章阐述了美国天然金刚石资源与工业金刚石来源、详细分析美国工业金刚石年消耗量与产量、回溯美国工业金刚石从天然金刚石到人造金刚石的沿革、全面介绍美国工业金刚石的应用领域、展望美国工业金刚石的未来发展趋势。
金刚石工业协会 篇3
Element Six日前在苏州成立了一家新的工业用合成金刚石工厂, 该工厂是Element Six在亚洲开设的第一家制造厂, 将生产一种供内部制造多晶产品使用的专业合成金刚石。
该公司在苏州的计划总投资达2500万美元, 它将逐步为Element Six合成金刚石的年生产量增加3亿克拉。Element Six是全球领先的高品质工业用金刚石以及作为补充的立方氮化硼 (cBN) 研磨材料供应商。这些材料既有单晶形式也有多晶形式, 用于磨料以及非磨料的工业用途。 (电子技术设计)
金刚石工业协会 篇4
自1963年我国首次合成出金刚石以来,经过几代科技工作者的共同努力,我国金刚石的生产技术水平有了突飞猛进的发展。尤其是近年来粉末工艺和间接加热技术的推广普及使用,我国人造金刚石的质量大幅度的提高,年产40亿克拉工业金刚石的中国由世界生产大国正走向金刚石生产强国。
金刚石是一种宽能带间隙的半导体材料,具有许多极限物理性质和化学性质。掺杂以后的金刚石可以用来制作许多性能优越的电子、光电子原件[1]。触媒的选择的是高温高压合成金刚石的关键。在触媒中引入添加剂,可以显著地改变触媒的特性[2],从而对金刚石的形貌、颜色、强度,内部包裹体分布等各方面的性质产生一定程度的影响。因此,引入添加剂也是合成特种金刚石的重要手段[3]。
本研究在铁基触媒-石墨体系中加入一定量的添加剂,成功地合成出了优质的金黄色工业金刚石。借助光学显微镜、电子显微镜进行了观察与检测。
2 实验
实验采用的高温高压设备为国产SPD6×1200型7200吨六面顶液压机。实验中合成压力的标定是根据铋(Bi)、钡(Ba)、铊(Ti)的高压相变点进行的,由此我们建立了腔体内部压力和液压机油压的对应关系。合成温度是根据Pt6%Rh-Pt30%Rh热电偶测定的输入功率与温度的对应关系曲线进行标定的[4]。
所用触媒为200目以细的铁基触媒;原料石墨为天然鳞片石墨,粒度为300目;添加剂的粒度为300目。按一定的质量比称取铁基触媒粉、鳞片石墨粉和添加剂,一起放入混料机中进行混合,混合四个小时后取出。然后压制成合成棒,将压制好的合成棒组装在叶腊石合成块中。合成后的样品放入沸腾的H2SO4和HNO3 的混合酸液中,以除去其中剩余的石墨和金属触媒。
3 结果与讨论
3.1 金刚石的合成条件
金刚石的生长区域在碳素的P-T相图上是一个“V”字形区域,它是由“金刚石-石墨(D-G)相平衡线”和“金刚石-触媒(D-M)共晶线”夹成的。一般来说D-G平衡线是确定的,而D-M共晶线的位置是依赖于触媒的性质发生变化的,因此在考察金刚石的生长条件时,通常考察金刚石的最低生长压力和某合成压力下金刚石的最低生长温度。我们采用一次升温升压工艺,在相同的合成时间(10min)下,考察了金刚石的合成条件与体系中添加剂含量的变化关系。
可以看出,随着体系中添加剂含量的增加,金刚石生长的最低压力和固定压力下的最低合成温度都呈增加趋势。
3.2 添加剂对金刚石自发成核的影响
选取四组不同的样品S1,S2,S3和S4,其中S1为不含添加剂的样品,S2,S3和S4为含添加剂的样品,添加剂含量分别为a、b、c,(a
3.3 金刚石的颜色
经过彻底的酸处理和提纯以后,我们在光学显微镜下对所得到的金刚石单晶进行了观察。图3为金刚石的光学照片,可以看出,所合成的金刚石为金黄色,呈完整的八面体形状,包裹体少,透明度高,优晶率达到80%以上。
3.4 金刚石表面微观形貌
取两种样品(不含添加剂的S1,含添加剂的S2)分别进行合成,两者所用合成条件、合成时间相同。在电子显微镜下,对合成金刚石的形貌进行了观察,如图4所示。可以发现,两者的晶体尺寸大致相同,由于生长时间相同,意味着生长速度比较接近;晶体都呈八面体形状;表面均具有凹坑,但凹坑形态不同,S1合成的金刚石表面的小凹坑呈圆形(图4-C),而S2合成的金刚石表面上的凹坑呈三角形(图4-D)。
4 结论
本文通过在铁基粉末触媒中加入一定量的添加剂,成功地合成了金黄色的工业金刚石。这种添加剂不仅使得金刚石的合成条件提高,而且对高温高压下金刚石的自发成核也有一定的抑制作用,同时也使金刚石的表面微观形貌发生了改变,没有添加剂的情况下,金刚石表面的凹坑呈圆形;而当引入添加剂时,金刚石表面的凹坑呈三角形。
参考文献
[1]R.Kalish.Carbon 37(1999)781-785.
[2]贾晓鹏.中国超硬材料研讨会南京会议论文集//中国超硬材料,特刊3.2001.3,1-11.
[3]周东晨,赵国权.金刚石合成工艺[M].北京:机械工业出版社,1998.
金刚石工业协会 篇5
石油天然气钻头用的PDC刀头最初是在1976年通过三年的研发和试生产之后提出的。D.E. Scott的这篇论文讨论了过去30年石油天然气钻井的PDC钻头和增强金刚石滚锥钻头的市场条件、技术挑战和大事记。经过一段缓慢的成长期后, 由于受上世纪90年代刀具、插件和钻头的技术进步的驱动, 钻头进入了一个稳定发展期。作者重点介绍了过去5年市场上石油天然气钻头的重要发展, 说明了这项技术对超硬材料工业及钻头工业的影响。