采用钻石化法捕集封存六千万吨CO2①

2013-04-01张战

超硬材料工程 2013年6期

张战

（韶关赛普超硬材料科技有限公司，广东韶关 512000）

1 简介

资料显示：人体中的含碳量占人体总重量的18%，中国每年自然死亡约1000万人，采用常规火化方式不仅人体中的碳变成CO2，喷油焚尸时燃油的使用也会大量产生CO2，两项相加每年将产生六十万吨CO2。如果采用厌氧烧、碳14精准标定、3D打印、钻石化法固碳等技术，百年内可捕集封存六千万吨CO2。该项目需要改喷油火化为厌氧火化，人体碳石墨化，个体碳同位素精准标定，用人体碳粉3D打印人体生前模型，用人体碳元素制作克拉级极品黄钻等一系列创新技术。该项目的技术难点是金刚石单晶高质量外延技术研究。长时间（80个小时以上）的同质外延过程要求装备、工艺设计、材料等多方面均能满足单晶连续生长的要求。关于用人体碳元素制作克拉级极品黄钻（非常非常极微瑕VVS1，VVS，10倍镜下可发现针状包裹体1－2个，微小且不明显）的高温高压连续高质量同质外延对合成装备的要求，对材料的要求，对工艺设计的要求等可概括为：一个重点；两个规范；三个适宜和四个统一。装备、工艺设计、材料以及过程控制等确保长时间（80个小时以上）稳定对钻石化法捕集封存六千万吨CO2项目成功与否极其重要！也是项目成败之关键。本文就用人体碳元素制作克拉级极品黄钻的技术难点做一重点介绍。对于一个重点；两个规范；三个适宜和四个统一将做详细说明。

2 概述

钻石恒长久，一颗永流传。金刚石除了是世界上最硬的物质外，它的其他物理性能也非常特殊，例如金刚石导热性非常好、大约是铜的四倍，但是金刚石却不导电，世界上具备上述特点的材料几乎没有；金刚石的透光率也非常高，在10.6μm二氧化碳激光波段以及X－射线波段等几乎无吸收；等等。因此金刚石除了可以用作超硬工具外，也可用于各种功能材料，只要晶体够大够纯。在过去的50年里，中国制造的金刚石由于不够大也不够纯，所以我国工业钻石主要用于切割工具。金刚石薄膜研究到2013年仍以多晶膜生产为主，单晶膜有长进但仅限于美国，近期有少量CVD钻石进入我国宝玉石市场，但该市场由于天然钻石的垄断及打假，CVD钻石及人造大单晶短期内现在还无法生存。因此，够大够纯的金刚石单晶只能大规模用作功能材料。因天然克拉级极品黄钻价格非常高，毛石价大约20000元／克拉，六八面体克拉级极品黄钻的大小大约4.5mm×4.5mm×4.5mm因是六八面体，大约是立方体的70%的体积），八面体克拉级极品黄钻的大小相当于直径6mm，高度6mm的双圆锥，工业化制造完全可能。如果产业化技术成熟，工艺路线合理，单粒的制造费用将不会太高，用人体碳元素制作克拉级极品黄钻将人体碳固化传承是天然钻石所不能的。该技术将彻底打破天然钻石在民用中的垄断，为人造大单晶开辟全新且广泛的巨大市场。

钻石是纯洁及高贵的象征，自人造金刚石单晶成功进入工业应用以来，人们对金刚石大单晶的高温高压人工合成一直保持浓厚兴趣。上世纪70年代我国已用自发成核的方法成功合成出5mm直径大小的金刚石大单晶；但因是自发成核工艺成功率低不具备商业价值。80年代中期郑州磨料磨具磨削研究所用晶种法同质外延生长出毫米级金刚石大单晶（1.5～2.0mm）并批量试生产，成功率达到67%；因成本高于天然工业钻石，也不具备商业价值。90年代初我们在参与的“863”项目中用微波气相沉积法成功地在金刚石（100）面上外延生长出单晶金刚石膜；但是由于基底是2.5毫米的天然单晶，面小价高也没有走向应用，但1992年《中国科学》杂志中英文版均有文章发表。同期GE、元素六及日本等已工业化生产出10mm直径大小的金刚石大单晶片并有加工好的单晶片销售。GE已生产出17×12×10毫米的金刚石大单晶（深褐色）。国内由于当时高温高压人工合成装备控制技术落后、应用开发滞后以及市场不佳等原因，大单晶项目在2012年前一直没有大的突破。2012年10月，由于河南华晶对河南焦作一家专门从事大单晶项目工厂的超乎想象的超高价收购，迅速引起国内同行的广泛关注。韶关赛普超硬材料科技有限公司在初步的市场调研的前提下于2013年4月启动了大单晶项目，当月即成功实现3毫米单晶的小批量生产。项目后期我们着重开始研究克拉级极品黄钻高温高压同质外延过程，与此同时提出了钻石化法捕集封存六千万吨CO2项目的设想。韶关赛普科技计划在一年内完成用人体碳元素制作克拉级极品黄钻将人体碳固化传承的所有技术准备工作，为中国的人造钻石成功进入民间收藏市场及大规模用作功能材料（光学窗口、散热片等）开创先河。

3 完成项目的必要条件

3.1 一个重点：精确控制

人体碳元素制作克拉级极品黄钻的技术核心是装备及材料以及过程的有效控制，我们说的一个重点就是精确控制。克拉级极品黄钻同质外延工艺设计自始至终以“精确控制”为重点。高质量单晶同质外延过程研究是赛普钻石化法捕集封存六千万吨CO2项目的重要技术工作。

（1）装备

赛普人体碳元素制作克拉级极品黄钻项目所使用的六面顶压机是韶关赛普超硬材料科技有限公司自产的第三代660型滑动式双活塞六面顶压机，因正常单晶市场的激烈竞争，目前赛普公司正常生产所使用的六面顶压机已升级到第三代；赛普第一代660型滑动式双活塞六面顶压机使用双高压泵提供超高压，压力控制精度为±0.5MPa，加热功率控制精度为±8‰，压力、加热功率随时间轴自由设定；二次电流、试棒电阻随时间显示。第三代660型滑动式双活塞六面顶压机其压力控制精度提高到±0.15MPa，加热功率控制精度提高到±1‰，其控制精度是一代机的近五倍。在赛普一代机上我们已成功实现金刚石单晶的同质外延，所以，第三代660型滑动式双活塞六面顶压机完全具备克拉级极品黄钻合成的能力。

（2）材料

韶关赛普科技人体碳元素制作克拉级极品黄钻项目的技术难点是确保金刚石单晶的长时间以均匀的线速度稳定生长及高成功率。针对这些技术要求，各组件的一致性以及精确控制对成功率的影响极大。为提高成功率，各组件在组装前必须严格检测，必须做到件件一致。一致的要求是材质、尺寸、重量分别一对一保持一致。具体说就是对以下10种材料的有效“精确控制”：

传压介质：赛普自产，标准粉制作，规格；61×61×61mm，误差±1%。

碳管：赛普自产，石墨纸压制，规格；h40×2×Φ46mm，误差±1‰。

碳片：赛普自产，光谱纯切片，规格；Φ46×1.5 mm，误差±1‰。

白云石管：赛普自产，乳源粉制作，规格；h37×1.0×Φ40mm，±1‰。

白云石片：赛普自产，乳源粉制作，规格；1.5×Φ40mm，误差±3‰。

隔热层：赛普自产，NaCl粉制作，规格；4.0×Φ40mm，误差±1‰。

生长区：赛普自产，石墨粉压制，规格；h29×Φ39.8mm，误差±1‰。

白云石环：赛普自产，乳源粉制作，规格；4.0×Φ36.8mm，误差±3‰。

叶蜡石环：赛普自产，乳源粉制作，规格；5.0×Φ36.8mm，误差±3‰。

堵头：赛普自产，热轧钢制作，规格；1.8×Φ18mm，误差±3‰。

上述组件的综合最大误差是±1.7%，组装后允许的最大综合误差是±0.3%。通过人为调节堵头、叶蜡石环、传压介质的重量来确保上压机前的组装的最大综合误差控制在±0.3%之内。

总之，精确控制主要包含两方面的内容：装备及材料。装备精度是精确控制的基础，如果六面顶压机的压力控制精度达不到±0.25MPa，加热功率控制精度达不到±3‰，人体碳元素制作克拉级极品黄钻高温高压同质外延的过程控制将变得十分困难。通过对10大原材料的精确控制可以完成对组装的精确控制，进而精确控制外延的起始状态。另外，晶种大小对外延生长起始条件的选择影响也较大，一般来说金刚石外延生长起始条件随金刚石晶种大小改变而改变，小晶种相对大晶种而言需要的外延生长压力要高，比如0.4毫米的晶种相对2.5毫米的晶种在其它外延起始条件相同时外界供给的油压压力要升高。同样的问题可以想象到当0.4毫米的金刚石生长到2.5毫米时腔体内部实际压力应下降，如果此时腔体内压力不及时调整为下降态势，将会有肉眼可见的包裹体和较大的解理及裂隙形成（此时将很容易形成微瑕SI1SI二号花，10倍镜下十分容易发现包裹体，肉眼可见包裹体），更有甚者将有连晶或者聚晶形成；下降太大金刚石外延生长将停止。克拉级极品黄钻不会生成。

3.2 两个规范：压力控制规范；温度控制规范

（1）压力控制规范；为保证单晶以均匀的线速度连续生长，腔体内部的实际压力必须有效控制。在腔体内晶种数目确定的前提下，从第一生长点压力到最终生长点压力降幅为0.32%。确定0.32%压力降幅的理论根据来自两个方面的共同作用：①大晶种外延生长所需压力低于小晶种；实验证明晶种直径每增加1mm，起始外延压力将下降1.0%，晶种从0.5mm涨到5mm，理论上外界供给压力将下降4.5%。其内在原因是大金刚石晶体吸收碳原子的能力优于小晶体，此乃晶体生长的一般规律，即所谓的大核吃小核。一定的腔体结构决定了一定的压力下降比例，其大小由实验数据确定下降的百分比。②石墨转化成金刚石时的体积收缩；假设腔体内晶种数目是65粒，晶种从0.5mm涨到5mm，压缩后的有效腔体大小是h25×Φ36mm，来自金刚石生长的体积收缩是有效腔体大小的16.3%（来自等量的石墨体积大于金刚石），由于有效腔体大小占高压立方体的比例为16.6%（来自我们的组装设计），因此，金刚石生长的体积收缩导致的高压腔的体积收缩比例为16.3%×16.6%＝2.7%。如果腔体设计改变，高压腔的体积收缩比例将相应改变，但计算方法不变。六面顶压机的有效油压转换为56%（由顶面及小倒角确定），金刚石生长体积收缩导致的生长点压力升幅应该是2.7%÷56%＝4.82%。综合①②两方面的因素考虑，在腔体设计确定、腔体内晶种数目确定等外界因素一致的前提下，设定65粒晶种在72个小时从0.5mm以均匀的线速度涨到5mm，压力控制规范是：从第一外延生长点压力到最终外延生长点的总压力降幅为4.82－4.5＝0.32%。例如，假定第一外延生长点压力为60.00MPa，最后一小时的外延生长点的压力应该为59.8MPa。这也是为什么赛普克拉级极品黄钻项目对设备压力控制精度要求进一步提高的原因之一。上述压力控制规范的基础是设备及10大材料的“精确控制”。最终数据的大小由对应的组装结构、顶锤倒角、腔体大小、晶种数目等确定。

（2）温度控制规范；为保证单晶以均匀的线速度连续生长，腔体内部的实际温度也必须有效控制。在腔体内晶种数目确定的前提下，从最高功率点到最终生长点降幅为2.7%，功率下降的主要原因是有效腔体的收缩，由于我们在h29×Φ39.8mm的有效体积内放置了65粒晶种，假设需要金刚石生长到5×5×5（mm），每粒的重量大约是1.54克拉（六八面体聚型），那么金刚石的总产量将达到100克拉，转变前后碳的体积相差20÷1.9－20÷3.53＝5立方厘米，压缩后的有效腔体体积约为30.6立方厘米，从开始生长到生长结束，有效腔体体积收缩了16.3%，占高压腔比例是2.7%，由于加热针对的不单单是有效腔体而是整个高压腔，当吸热放热达到平衡时，随着高压腔体积收缩，外加的功率就要下降，我们设定的下降比例与高压腔体积收缩同步，从最高功率点到最终生长点降幅为2.7%。实验证明这一下降比例设计是完全合理的，它是实现金刚石单晶高质量连续外延生长的必要条件，腔体内部的实际温度的规范控制，对用人体碳元素制作克拉级极品黄钻项目完成非常有益。同样，上述温度控制规范的基础也是设备及10大材料的“精确控制”。最终数据的大小同样由对应的组装结构、顶锤倒角、腔体大小、晶种数目等因素而定。

3.3 三个适宜：以外延时每隔300分钟微调一次功率为宜；线生长速度以小于0.08mm／小时为宜；高温时间维持200～230分钟为宜。

（1）外延时每隔300分钟微调一次功率；在一个重点两个规范前提下，外延生长仍受外部电网波动、环境温度、环境湿度、冷却水温度等较难控制的外部影响因素的影响。为尽量减少不可控因素对外延生长的影响，适当调整外延过程中的加热功率是必须的，一般是调整电流值的±2‰，过勤过慢都不好，以300分钟微调一次功率为宜。较多的经验来自后半夜温度偏高，上午温度偏低。

（2）线生长速度以小于0.08mm／小时为宜；线生长速度大小对外延生长的大单晶内在质量影响较大，0.08mm／小时的线生长速度可保证在70个小时内晶种从0.5mm长到5mm以上。太快的线生长速度不能保证外延生长的大单晶达到VS级别，更不用说VVS级别了（非常非常极微瑕VVS1，VVS，10倍镜下可发现针状包裹体1－2个，微小且不明显）。克拉级极品黄钻内控质量标准是VVS1。

（3）高温时间维持200～230分钟为宜；所有外延生长制备大单晶工艺中均要用到晶种，优质晶种同质低速外延生长是克拉级极品黄钻的工艺设计原点，晶种表面与外延层的结合面是产生极微瑕的最易地带，200～230分钟的高温处理可将晶种表面深度碳化，进一步的同质外延生长只要速度合理、外界干扰少、克拉级极品黄钻内部质量达到VVS级别是完全可能的。

3.4 四个统一：组件标准统一；烘烤时间统一；上机前烘箱温度统一；上机时机统一

（1）每种组件要有明确的标准，组件标准统一。各组件在组装前必须严格检测，必须做到件件一致。一致的要求是材质、尺寸、重量分别一对一保持一致。这就要求每一种组件要有对应的标准，如果标准不统一，有的要求过高会大幅增加成本，过低会影响整个工艺的精度。根据组件对外延生长影响大小制定分类标准，内紧外松。

（2）传压介质，白云石组件等烘烤工艺，烘烤时间统一。传压介质，白云石组件等烘烤工艺不同其传压性相差很大，目前国内有关烘烤工艺大致有两种：高温短时间和低温长时间；我们采用的是低温长时间工艺，温度150℃，时间20小时。烘烤工艺以确保水玻璃完全分解且不改变其他组分性能。

（3）上机前烘箱温度统一为120℃～130℃。上机前组件温度对外延生长影响也不可忽视，10℃的差别在外延生长过程中就有反应，上机前烘箱温度统一可避免外延生长不必要的波动。

（4）上机时机统一。大于24小时，小于72小时。上机时机同样对外延生长的影响不可忽视，组件在烘箱内的时间太短，外延生长不稳定，太长对大单晶颜色有影响。可控的时间是大于24小时，小于72小时。

4 项目的经济效益预计

人体碳元素制作克拉级极品黄钻项目的合成工艺技术研究工作完成能确保用20台赛普产第三代660型滑动式双活塞六面顶压机年产十万粒克拉级极品黄钻。项目经济效益分析如下：

1.总投资：2800万；其中：压机，2000万，其他，800万。

2.人员：15个。

3.电力供应：500kW.

4.厂房面积：2000m2。

5.总成本：100000粒×300元／粒＝30000000元，三千万。

6.总产值：100000 粒 ×10000 元／粒＝1000000000元，十亿。

7.增值税：164900000，一亿六千四百九十万。

8.销售费用：1000万。

9.设备折旧：300万。

10.研发费分摊：600万。

11.管理费分摊：100万

12.年毛利润：10—0.3—1.649—0.2＝7.851（亿）

13.所得税：2.36亿。

14.纯利润：5.491亿。

5 结论

通过改喷油火化为厌氧火化，人体碳石墨化，个体碳同位素精准标定，用人体碳粉3D打印人体生前模型，用人体碳元素制作克拉级极品黄钻，激光微雕等一系列创新技术的实施，将彻底改变人们的传承理念，后人能从赛普人体钻石中记住祖先的名字，中国5000年优秀文化亦能代代相传。从小家庭的好事传万代到国家的正能量，中华民族伟大复兴从此起航。钻石化法捕集封存六千万吨CO2项目将以韶关作为试点城市，成功后从广东推向全国。

通过一个重点；两个规范；三个适宜和四个统一的科学操作，韶关赛普科技人体碳元素制作克拉级极品黄钻项目必将顺利实施，它将为中国的人造钻石成功进入民间收藏市场及大规模用作功能材料（光学窗口、散热片等）开创先河。该项目计划在一年内完成所有的研发工作，在一到三年内完成市场培育任务。赛普科技在项目应用推广初期将率先推出赛普克拉级优质黄钻ZZSPD－D3及ZZSPD－D5K。用先人骨灰采用高技术精准提炼先人生前圣体的碳元素订制先人家人所需要的克拉级优质钻石，并刻上先人的生平与天地共存！该产品具有完全独特性不可替代，收藏价值极高！ZZSPD－D3形状定为六八面体聚型，重量约0.33克拉，初步定价1万元／份；ZZSPDD5K形状初步定为六八面体聚型，重量约1.53克拉以上，并刻上先人生平，与日月同辉，初步定价8万元／份。当钻石内部质量达到VVS级别后，采用天然碳素生产钻石并进一步推出赛普克拉级极品黄钻并标以人造的正规身份大规模进入民用宝石市场与天然钻石争奇斗艳。

钻石化法捕集封存六千万吨CO2项目是一个极好的减排项目也是一个高技术项目，对超硬材料行业转型升级、拉动内需等将起着巨大推动作用。该项目需要调动大量的社会资源，甚至将改变人们的生活方式，需要广泛协作，需要大量方方面面的人才聚集韶关，作为项目的承担单位赛普科技将以开放的心态广招天下精英共聚乳源。项目需要涉及激光微雕技术、3D打印技术、超高温（3500℃）石墨化技术、超高压技术、项目市场规划、奢侈品管理等专业人才，目前有意向加入该项目的单位暂定为项目协作单位，大量的人才主要来自协作单位推荐。