剖析美国工业金刚石的发展轨迹（下）①

谈耀麟

（桂林矿产地质研究所，广西桂林541004）

剖析美国工业金刚石的发展轨迹（下）①

谈耀麟

（桂林矿产地质研究所，广西桂林541004）

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。

工业金刚石；发展；美国；资源；消耗量；产量；生产沿革；应用领域

4.1 天然工业金刚石的应用领域

美国在广泛应用人造工业金刚石之前大量使用天然工业金刚石。美国工业应用的天然金刚石有两种类型：一是粒度大于60目（250微米）的；另一是粒度较小的bort和其碎粒金刚石。

在美国进口的天然工业金刚石中，大于60目的多用于制造钻头和扩孔器、单刃和多刃金刚石工具、金刚石砂轮、金刚石拉丝模和金刚石锯片，其它还用于制造刻刀、玻璃刀、轴承、外科手术器械等。

金刚石钻头和扩孔器主要用于固体矿藏和油气勘探、水坝等建筑物基础测试、建筑物内部管道铺设、构筑物混凝土检测等。

单刃和多刃金刚石工具用于机械零件加工、砂轮修整、汽车玻璃磨边等。

金刚石锯片多用于石材加工、高速公路建设与维修中混凝土路面切割与开槽、冶金工业高炉耐火材料成形加工等。精细金刚石锯片则用于电子工业中切割晶体薄片和硬脆金属薄片等。

金刚石拉丝模主要用于高效拉制金属丝，特别是坚硬的高强度金属细丝和合金细丝。

金刚石砂轮主要用于各种硬质合金刀具的成形加工与磨锐、拉丝模的研磨、平板玻璃磨边以及光学元件的精磨等。

粒度小于60目的天然金刚石（包拉bort碎粒）主要用于制造孕镶金刚石钻头和扩孔器、孕镶金刚石工具、锯片、砂轮等。

天然金刚石微粉多用作研磨和抛光材料，如光学元件表面、宝石轴承、珠宝、拉丝模、切削刀具和冶金试样的精加工等。数以百计的用金属、陶瓷、塑料、玻璃等制作的重要工业元件都需要用金刚石微粉进行精加工。由于资源与价格的原因，上述天然金刚石制品已越来越多的被人造金刚石制品所取代，如砂轮、锯片、钻头等，特别是大尺寸的砂轮和锯片等采用人造金刚石可大幅度降低成本。

绝大部分天然金刚石微粉也被价廉的人造金刚石微粉所取代。用人造金刚石微粉和细粒人造金刚石制成聚晶金刚石成形块（PDC）和烧结块（PCD）也逐渐替代了上述部分天然金刚石用于制造单刃和多刃刀具。

4.2 人造工业金刚石的应用领域

1980年美国的人造金刚石产量为0.5亿克拉，1992年达到0.95亿克拉，最高产量是2004年，达到2.52亿克拉。应注意的是，美国在注重提高HPHT金刚石的质与量的同时也重视CVD金刚石和UNCD的研发，所以到2009年在美国的工业金刚石市场中人造金刚石已占98%。

在美国工业金刚石的应用领域中，很大一部分金刚石制品已采用HPHT金刚石替代了天然金刚石，特别是锯片、砂轮、钻头、扩孔器、各种材料的切削／切割刀具和研磨工具以及散装研磨材料等，在这方面利用的是金刚石的力学性质即硬度和耐磨性，而在物理化学性质的利用方面则很大一部分采用了CVD金刚石，如电子工业用的散热元件（特别是高效散热片）、电子计算机芯片、光学窗、辐射探测器、航天飞机工程等。

4.2.1 航天飞机工程

航天飞机工程在美国实施了30年，于2011年终止。航天飞机的研制始于1972年，1977年研制出第一架航天飞机“企业”号（Enterprise ov－101），它实际上只是个测试平台。1981年载人航天飞机“哥伦比亚”号（Columbia ov－102）首次发射。此后相继发射了“挑战者”号（Challenger ov－103）、“发现”号（Discovery ov－104）、“亚特兰蒂斯”号（Atlantis）和“奋进”号（STS Endeavour ov－105）。“奋进”号于1992年首航，2011年完成最后一次飞行任务，从此美国的航天飞机全部退役。在航天飞机上均采用了CVD金刚石作保护性镀敷材料，各个运转零部件的铰链、转轴、轴承等均采用CVD金刚石镀敷以在提高可靠性的同时降低摩擦阻力。

此外，探月工程以及火星、金星等星球的深空探测工程也都用了CVD金刚石，如1978年发射至金星的先锋号（Pioneer）探测器、1989年发射的伽利略号（Galileo）木星探测器、1997年发射的卡西尼号（Cassini）土星探测器等均采用了CVD金刚石镀敷材料以达到耐受极高的温度和极端的环境条件之目的。当前美国的深空探测工程仍在进行。

4.2.2 超级计算机

美国拥有世界上运算速度最快的超级计算机（supercomputer），也是拥有超级计算机最多的国家。伊利诺伊大学研制的“蓝水”（Blue Water）超级计算机每秒持续运算速度最高可达1万兆次，大约是目前最快超级计算机运算速度的10倍，能在最短时间内完成大规模运算。

美国国家计算机科学中心（NCCS）研制的“美洲虎”（Jaguar）超级计算机运算速度达1.64千万亿次，主要用于研究气候模型、可更新能源、材料科学、核聚变等当代重大挑战性前沿科学技术与工程。

美国空军研究实验室（AFRL）研制的“秃鹰群”（Condor）超级计算机运算速度为每秒500万亿次，应用于雷达增强、模式识别、卫星图像处理及人工智能等研究。

匹兹堡超级计算机中心（PSC）与有关大学协作用“克雷”（Cray）超级计算机进行地震波传播效应与自然现象的研究。

就电子计算机而言，为了提高电子器件的工作速度必须具有高效的散热性能与尽可能紧凑的结构。采用金刚石芯片代替硅芯片不但可排除计算机处理器的过热问题，而且可改变结构，采用三维多芯片模块可望解决高效率散热问题而使运算速度大为提高，同时使计算机的体积大为缩小。目前已试制出CVD金刚石与电子芯片叠层多达40层的多芯片模块，面积只有10cm2，为性能更先进的超级计算机的研制提供了前提条件。

4.2.3 光学窗

光学窗在科技与工业中都有重要作用。近几年美国热衷于将CVD金刚石光学窗应用于军事工程和各种航天器。例如红外线金刚石视窗应用于激光制导的智能导弹以及喷气战斗机飞行员的视镜等，以前用的视镜在沙漠地区作战中往往被风沙划伤导致视线模糊。

人造工业金刚石在高科技的应用还包括：带有金刚石启动像素的平面显示器、电子显示仪中的光发射器和辐射探测器以及用作各种元器件表面的超高强度镀敷材料等。

4.3 金刚石微粉的应用

金刚石微粉在美国各部门的用量相当大，主要用于各种切削刀具、珠宝饰品、宝石轴承、光学元件、硅晶片、拉丝模以及计算机芯片等的精整加工、陶瓷、玻璃、金属、塑料和复合材料等数百种制品的精加工都要用金刚石微粉。在高科技方面，金刚石微粉的应用还包括：宇航工业中使用的陶瓷元件的紧密公差加工、电子电路中散热元件、激光反射设备用透镜的加工以及磁盘驱动器的抛光加工等等。

5 美国工业金刚石未来的发展趋势

美国USGS2010年度报告称：“由于经济危机对美国制造业的负面影响，2009年美国进口的工业金刚石比2008年大幅度下降。不过2010年工业金刚石进口量已恢复至经济危机前的水平。”美国工业金刚石耗用量之大可见一斑。美国是工业发达、科技先进的国家，它要维持世界大国强国的地位势必致力于研究人造工业金刚石的进一步发展。

5.1 关于HPHT金刚石

经济危机后美国的制造业与房地产业仍不景气，不过据预测，未来10年世界上最大的工业金刚石市场仍将是美国，而主要耗用工业金刚石的部门仍然是交通运输系统。作为国民经济命脉的高速公路网的建设与维护保养都需用大量的金刚石锯片，而目前国际市场上锯片级金刚石的产量满足不了美国之需，为此Diamond Innovatives公司作为美国生产人造金刚石的主要厂家已把扩大研制高品级大晶粒HPHT金刚石作为主攻方向之一。至于其它品级的人造金刚石如细料HPHT金刚石和金刚石微粉将主要从俄罗斯和中国进口。2009年美国从中国进口占了63%，此类HPHT金刚石主要供各种金属和非金属材料的切割、切削、钻削、磨削和抛光加工之用。

从未来发展考虑，Diamond Innovatives公司根据HPHT金刚石特性进行精细分类以确定研制方向以新产品及新应用引导磨料市场走向，解决航天飞行器用的耐高温陶瓷元件、电子电路的散热元件、激光器镜头、计算机芯片和磁盘驱动器等的精密加工问题。

5.2 关于CVD金刚石

在美国的工业金刚石中，HPHT金刚石主要是利用其硬度与耐磨性等力学特性用于制作加工工具，而CVD金刚石则主要利用其电子学、热学、光学等物理化学特性更多应用于高科技。美国一直进行着金刚石作为半导体材料以及作为耐高温材料等的深入研究以便应用于制造可安装在手表中的微型电话等谍报工具的超微晶片、喷气飞机与航天飞行器的耐高温镀层、超大功率激光器、超大容量储存器、热敏微电子器件的高效散热元件等。金刚石芯片应用于计算机替代硅芯片，则计算机可在更高温度环境中正常工作，并能以更高频率和更高速度运算。因为金刚石芯片可在1000℃的高温中正常工作，而硅芯片在150℃的温度条件下即无法正常工作。

美国对CVD金刚石今后的研究方向是提高纯度、提高生长速度与幅度、提高性能的可控性和可设计性以满足特定条件的应用要求。

5.3 关于UNCD

起初美国发展CVD金刚石主要是解决HPHT金刚石在商业化生产中难于获得足够大的粒度来满足工业和材料发展之需，嗣后才逐渐开发应用CVD金刚石在热学、光学、电学、化学等方面的物理化学特性。UNCD的研发则是为了解决CVD金刚石表面光洁度难于提高、与其它材料的粘附性范围较窄、难于精加工成形等问题。由于UNCD即具有CVD金刚石的共性又兼有纳米材料的特性，所以从广度和深度上更加充分地发掘利用金刚石所固有的内在极致性质，从而有可能解决一系列尖端科技难题，缓解当今人类所面临的许多重大问题。

近若干年美国在重点研究金刚石干式蚀刻成形技术，使金刚石材料免除传统上各种复杂而难度较大的加工程序而制成2D或3D形状的金刚石结构制品直接应用于高精尖的微型器件之中。有关UNCD的应用详见《超硬材料工程》1／2011期《论UNCD的应用与研发方向》，本文不再赘述。

就美国工业金刚石的发展而言，作为第一代人造金刚石的HPHT金刚石不可能完全取代天然金刚石，作为第二代人造金刚石的CVD金刚石解决了HPHT金刚石所难于解决和无法解决的某些应用问题，也不可能完全取代HPHT金刚石。同样，UNCD作为第三代人造金刚石，它的某些性能优于HPHT金刚石和CVD金刚石，但不可能取而代之。随着材料科学的发展，对人造金刚石的合成过程加以严格地控制，其生长条件以及统一严格精确的质的控制就有可能按照设计的形态和预期的性能合成出新一代的金刚石。由于各代人造金刚石所秉赋的各自特性有所不同，在工业金刚石的未来发展中，各种人造金刚石将形成性能上互补的应用态势。

Analyse the development path of industrial diamond in the United States

TAN Yao－lin
（Guilin Research Institute of Geology for Mineral Resources，Guilin541004，China）

The development path of industrial diamond in the United States was analysed on the basis of natural resource of diamond，production and consumption of industrial diamond，production history of natural industrial diamond and synthetic industrial diamond，application areas of industrial diamond and its development trend.In this paper the resource of natural diamond and the source of industrial diamond in the United States were described；the annual production and consumption of industrial diamond were analysed in detail；the production history of industrial diamond from natural diamond to synthetic diamond was reviewed；the application areas of industrial diamond in the United States was introduced in an all－round way；and the development trend of industrial diamond in the United States was looked ahead to.

industrial diamond；development；the United States；resources；consumption；production；production history；application area

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0038－04

4 美国工业金刚石的应用领域

自从国际工业金刚石市场形成以来，美国一直是工业金刚石的消耗大国。在金融危机时期的2009年，美国工业金刚石消耗量从2008年的5.45亿克拉骤降至3.055亿克拉。2010年，消耗量回升，达到5.46亿克拉，主要用于军工生产。其中天然和人造的细粒金刚石和金刚石微粉的消耗量为4.9亿克拉，60目以粗的天然和人造金刚石消耗量为0.56亿克拉。在总消耗量中，人造金刚石占了93%以上，天然金刚石以bort为主，包括完整晶粒与碎粒。

美国工业金刚石的应用涵盖6大领域，即机械加工、矿藏勘探、石材、陶瓷、建筑和运输系统（高速公路、桥梁等）。这6大领域每年消耗的工业金刚石（含天然及人造的）所占百分比大致为：机械加工32.3%、矿藏勘探18%、石材与陶瓷22.3%、建筑14.7%、运输系统8.4%、其它.3%。

2012－02－10

谈耀麟（1936－），男，高级工程师，长期从事超硬材料科研和情报方面的工作。