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培育钻石原来还有这些高新应用?

发布时间:2020-08-26

        在之前的科普文中《「揭秘」高温高压技术怎么长钻石》《「揭秘」实验室里“种”钻石?》(超链接),我们有分别介绍过HPHT和CVD培育钻石的发展历史。
        目前,中国批量生产HPHT培育钻石技术已达到世界前列水平,2018年中国宝石级培育钻石产量达到130万克拉,产量占据全球总量的90%以上[1]
        中国的CVD技术起步较晚,但是发展非常快。2020年7月10日,IGI国际宝石学院海外实验室鉴定了一颗由上海征世科技有限公司生产的10.57克拉的CVD培育钻石(图1),这颗钻石的诞生又进一步的标志着高品质、大克拉CVD培育钻石技术的已逐渐成熟。
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图1 上海征世科技有限公司生产的10.57克拉、F色、VS2净度、3EX切工的CVD培育钻石,其毛坯重量达45.152克拉
(图源IGI)
 
        这些培育钻石在物理性质还有外观上与天然钻石并没有什么区别,可以制作钻戒、项链、耳环、胸花等饰品,样式美观,经济时尚。
 

        2001年创立的美国LifeGem公司实现“纪念钻石”生长技术,通过人体中的碳为原料(比如头发)做成钻石,以一种特殊的方式帮助家人表达对其已经失去的亲人的爱,赋予培育钻石特殊的意义。
 
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图2 人体碳元素培育出的“纪念钻石”
(图源LifeGem公司)
 
不过其实培育钻石不仅仅是用在首饰上。

        培育钻石与天然钻石一样,集许多优异性能于一身,除了超硬特性之外,它还具有最高的热传导率、优良的光学性能、半导体性能和化学稳定性[2]
        当单颗钻石的大小和纯度达到一定水准以上时,钻石的众多性能特别是光学和半导体性能才可以得到发挥。但是大颗粒的天然钻石价格昂贵,如果通过人工培育大单晶钻石来降低成本,并实现批量化生产,就可以得到更为广泛的应用,尤其是在高新技术上,实现产业革命。
 
1. 切削材料/超精密加工
 

        钻石具有超硬特性。如图3所示,钻石的莫氏硬度为10,是目前自然界中硬度最高的矿物。此外,钻石还兼备高热传导率、高耐磨性、化学稳定性、低膨胀率和它与被切削材料之间的低摩擦系数[2]。这些特质决定了钻石是一种优越的切削材料。
 
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图3 莫氏硬度
(图源网络)
 
        而通过人工培育出大单晶钻石,可以进一步实现超精密加工,在达成高技术要求的同时降低成本。
 
(1) 精密或超精密车刀

        相比聚晶钻石(Poly Crystal Diamond,PCD),单晶钻石(Single Crystal Diamond,SCD)内部无晶界,刀具刃口理论上可以加工出原子尺寸级的平直度和锋利度,实现镜面加工效果。因此,已在航空航天、精密仪器仪表等任何需要超精密加工的场合广泛应用,如加工精密光学仪器的反射镜、计算机硬盘、陀螺仪、电子枪、核反应堆、隐形眼镜等。
        目前市场上销售高质量SCD刀片的公司仍旧是以Element Six为主。
 
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图4  Element Six公司生产的MPCVD单晶钻石刀片
(图源[3]
 
(2) 培育钻石拉丝模

        作为一种切削模具,拉丝模通常指各种拉制金属线的模具,可以将一根根粗细不一的金属合金线变成所需直径线材。与传统硬质材料工具相比,钻石在工业加工过程中的寿命更长、损耗更小、效率更高,在加工硬质材料方面具有无可比拟的优势。通过钻石拉丝模,可以制作出高精度丝材,广泛应用于医疗、高铁、汽车、电力、造船、高速电梯、太阳能发电等领域。
        2018年,山东迪蒙特佳金刚石模具有限公司制造的钻石模具孔径达成新纪录,拉制出的金属丝可以达到0.01毫米,只有头发丝的1/8 [4]
        随着培育钻石生产技术的不断成熟以及产量的不断提高,钻石制品的价格呈现长期下降趋势,性价比的凸显不断推动其对传统硬质材料工具的替代。
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 图5  高精度单晶钻石拉丝模具
(图源迪蒙特佳)
 
 
2. 光学材料
 

        除部分近红外,钻石具有从X射线到微波整个波段高的透过率,兼备高硬度、高热导率、高化学稳定性和低膨胀系数,是一种优异的光学材料[3]
        比如MPCVD单晶钻石可以做成大功率激光器件的输能窗口,钻石的耐高温及耐热震特性可大幅度提高激光器件输出功率。
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图6  Element Six 公司安装有单晶钻石的 CO2 激光器输能窗口
(图源[3]
 
大单晶培育钻石还可以制成用于宇宙探测器的钻石窗。

        1978年,美国先锋号宇宙探索器在对金星进行的探测中,就安装了一只直径为18.2mm,厚为2.88mm的钻石窗。由于金星的大气压是地球的近100倍,因此当探测器在金星的大气层中下降时,钻石窗既能承受巨大的热量和压力,又能让金星大气层中的红外线穿过而不被吸收,从而使探测器能成功地测量金星大气中的红外辐射。当时的这一钻石窗是从一块宝石级天然钻石上切割下来的,其费用达25万美元。1995年,De Beers成功地采用CVD 方法培育出了更大面积(直径可逾100mm)的钻石窗[5]
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图7  1978年,美国先锋号宇宙探索器
(图源百度百科)
 
 
3. 半导体及电子器件
 

        高电子和空穴迁移率、高击穿电压、高热导率,在掺杂后可半导体化,这一切都昭示着培育钻石半导体有着非常光明的前景,可应用于集成电路芯片、超高频大功率电子器件、生物传感器、航空航天及其他极端环境电子元器件等场景[2]
        培育钻石可能是功率器件最理想的材料。由于培育钻石导热性很好,利用培育钻石制作功率器件,具备非常好的散热性能,不需要额外加装又大又贵的散热器(例如散热片或者风扇),将降低功率器件的散热成本。培育钻石还特别适用于高压高功率应用,因为电流在钻石材料中传输更快,这样的话器件能源效率会更高。
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图8  量子计算机
(图源中国超硬材料网)
 
 
4. 培育钻石探测器
 

        优异的抗辐射性能、光学性质、以及热学性质,让培育钻石成为探测器的优选材料。培育钻石探测器不惧极端恶劣辐射环境,环境杂光对金刚石探测器的影响极小,无需加滤光片,而且可以在室温,甚至较高的温度下正常工作,无需像硅探测器那样外加冷却系统。此外,因为钻石的原子序数与人体软组织的等效原子数非常接近,密度比软组织大,而且无毒,与组织液不会发生化学反应,是非常理想的生物活体内置辐射剂量探测材料[6]
 

        由于看到了钻石探测器具有潜力巨大的新市场,Element Six早在2007年拆分出一家钻石探测器有限公司,该公司将致力于开发定制的探测器解决方案,开始时将锁定4个主要市场:高能物理、核监测、放疗剂量测定以及远紫外线探测[7]
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        随着科学技术和现代工业的迅速发展,培育钻石的用途将越来越广,用量也会越来越多,届时还会出现在更多高新技术领域。而天然钻石资源十分稀少,价格昂贵,加强培育钻石的生产和科研,将是世界各国的奋斗目标之一,也相信培育钻石将成为实现高新技术产业革命的关键。
 
关于培育钻石,你还有什么想了解的,欢迎在评论区留言哦。
 
参考文献:
[1] 中新网:《培育钻石产业迎来发展高峰期》
http://www.chinanews.com/cul/2019/09-03/8946103.shtml
[2] 王裕昌. 人造大单晶钻石的合成技术进展及主要应用[J]. 超硬材料工程,2008,20(6): 28-32.
[3] 阳硕,满卫东,赵彦君,何莲,肖雄. MPCVD法合成单晶钻石的研究及应用进展[J]. 真空与低温, 2015, 21(3): 131-138.
[4] 齐鲁网:《国家级金刚石拉丝模共享平台落地烟台开发区》
http://yantai.iqilu.com/ytyaowen/2018/0730/3998568.shtml
[5] 张宏伟, 周祖翼. 人工合成钻石在现代高技术领域中的应用[J]. 珠宝研究, 2004,(3): 35-39.
[6] 刘金龙,李成明,朱肖华,邵思武,陈良贤,魏俊俊. 探测器级单晶金刚石材料的生长[J]. 人工晶体学报, 2019, 48(11): 1990-1991.
[7] 美通社:《Element Six 分拆成立新公司来开发金刚石探测器》
https://www.prnasia.com/story/2783-1.shtml
 

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