人造金剛石行業(yè)的未來(lái)10年①

張戰(zhàn)

（賽普超硬材料科技有限公司，廣東 韶關(guān)512000）

1 概述

我國(guó)2011年人造金剛石總產(chǎn)量為80億克拉，2012年已突破100億克拉，預(yù)計(jì)2013年將達(dá)到120億克拉，且未來(lái)中國(guó)人造金剛石的產(chǎn)量仍將以10%以上的速度增長(zhǎng)，10年內(nèi)我國(guó)人造金剛石的總產(chǎn)量將大大突破200億克拉／年。屆時(shí)人類(lèi)文明一定會(huì)進(jìn)入“鉆石時(shí)代”，“鉆石時(shí)代”下的金剛石單晶制造技術(shù)與現(xiàn)在相比在以下八個(gè)方面會(huì)有所突破：

2 “鉆石時(shí)代”單晶制造八個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1提高石墨轉(zhuǎn)化率技術(shù)

（1）將低熔點(diǎn)金屬與鎳鐵合金構(gòu)成三元或者四元合金觸媒體系，降低合金觸媒的熔化溫度

（2）將石墨－合金觸媒按一份合金觸媒對(duì)應(yīng)一份石墨及一個(gè)成核劑的方式混合，確保石墨轉(zhuǎn)化率的最大化。

（3）適當(dāng)改變頂錘與傳壓介質(zhì)的關(guān)系，在合成石墨柱中添加適當(dāng)?shù)某鮿?。

（4）碳源改性，降低石墨向金剛石轉(zhuǎn)化所需動(dòng)能。

2.2 合金觸媒再生技術(shù)

合金觸媒的價(jià)格對(duì)金剛石單晶制造成本影響很大，約占總成本的40%，合金觸媒再生技術(shù)可將合金觸媒再生，再生合金觸媒的費(fèi)用可控制在生產(chǎn)合金觸媒所需費(fèi)用的25%以內(nèi)，在其它條件不變的前提下，合金觸媒再生技術(shù)誕生后，金剛石單晶制造成本對(duì)應(yīng)將明顯降低。

圖1 660缸徑六面頂壓機(jī)Φ52毫米直徑大腔體產(chǎn)能Fig.1 Capacity of large cavity withΦ52mm diameter of 660cylinder diameter cubic press

圖2 十年后支撐行業(yè)的八大關(guān)鍵技術(shù)Fig.2 Eight kinds of backbone techniques after ten years

圖3 目前支撐行業(yè)的四大關(guān)鍵技術(shù)Fig.3 Four kinds of backbone techniques at present

2.3 Φ55毫米以上大腔體技術(shù)

構(gòu)成金剛石單晶制造成本的主要元素中工人工資、設(shè)備用電用水、硬質(zhì)合金頂錘消耗量以及設(shè)備折舊均與腔體大小及六面頂設(shè)備大型化技術(shù)有關(guān) ，Φ55毫米以上大腔體技術(shù)可將上述四項(xiàng)所需費(fèi)用均降到0.01元／克拉以下，0.01元／克拉的上和下具有特別重要的意義。參圖1和表1。

表1 大腔體技術(shù)與四項(xiàng)所需費(fèi)用的關(guān)系Table 1 Relationship between large cavity technology and four kinds of expenses

2.4 無(wú)酸無(wú)污染高效率分離技術(shù)

（1）無(wú)污染高效率分離技術(shù)將成為金剛石單晶制造業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的必要條件。

（2）氣相高溫氧化除石墨，該方法的理論基礎(chǔ)是石墨與金剛石在常壓下氧化起始溫度相差懸殊選用500℃～700℃之間的合適溫度再加上一定量的助氧劑氧化去除石墨 。

（3）完全電解－機(jī)械破碎－搖床分離金屬等，該方法也需用無(wú)酸試劑除去最終的少量石墨。

2.5 金剛石單晶高效率分級(jí)技術(shù)

金剛石單晶高效率分級(jí)技術(shù)可確保金剛石單晶制造成本從角級(jí)（角／克拉）降到分級(jí)（分／克拉），而不會(huì)因土地成本上升以及用工成本上升而使金剛石單晶制造成本上升。高效率分級(jí)技術(shù)的工作方法可參考金剛石微粉分級(jí)分類(lèi)方法引入到金剛石單晶分級(jí)技術(shù)中。

2.6 金剛石單晶制造新材料體系

金剛石單晶的人工合成，就壓力而言從負(fù)壓到高壓均可生長(zhǎng)金剛石，高溫高壓法的材料是石墨加鎳鐵觸媒合金在5～6萬(wàn)大氣壓、1250℃的條件下完成；從負(fù)壓到正壓的可選材料有CO2、碳酸鹽、含碳有機(jī)化合物以及碳化金屬，等等。上述任何一種新材料體系的成功對(duì)石墨加鎳鐵觸媒合金的高溫高壓法金剛石單晶的人工合成都將產(chǎn)生沖擊。

2.7 金剛石單晶制造新方法

金剛石單晶制造新方法有可能使單次合成顆粒狀金剛石的單產(chǎn)不是幾百克拉而是幾十公斤甚至幾噸，新方法極有可能在中壓下碳還原技術(shù)研究成果中發(fā)生，金剛石單晶制造新方法有可能會(huì)使用另一種形式的“壓機(jī)”，中壓下金剛石單晶制造將不再使用硬質(zhì)合金，極大可能用鋁釩土代替葉蠟石作為傳壓介質(zhì)。

2.8 金剛石單晶定型制造技術(shù)

自銳性金剛石、微晶金剛石、金剛石大單晶的高壓直接合成屬于金剛石單晶定型制造技術(shù)范疇。

3 “鉆石時(shí)代”的金剛石單晶應(yīng)用

（1）替代普通磨料

人造金剛石自誕生之日起，就擔(dān)負(fù)著替代碳化硅、棕剛玉等普通磨料的歷史使命。與普通磨料相比，人造金剛石使用效率高（例如使用相同重量的人造金剛石和碳化硅，在相同的時(shí)間里磨加工，人造金剛石的速度是碳化硅的100倍）；損耗低（例如使用相同重量的人造金剛石和碳化硅，在相同的時(shí)間里磨加工，人造金剛石的損耗只有碳化硅損耗的百分之一）。普通磨料行業(yè)作為一個(gè)高污染、高能源消耗的行業(yè)，自上世紀(jì)80年代開(kāi)始許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)就禁止在本國(guó)生產(chǎn)碳化硅、棕剛玉等普通磨料，或?qū)⒓庸せ剞D(zhuǎn)移到不發(fā)達(dá)國(guó)家。目前我國(guó)每年生產(chǎn)的碳化硅及剛玉超過(guò)350萬(wàn)噸，其中約有30%用于研磨和陶瓷加工，按每噸碳化硅8000元人民幣計(jì)，用于磨加工的總產(chǎn)值超過(guò)8億元／年，按一克拉人造金剛石0.25元計(jì)，如果全面替代碳化硅，將需要不少于32億克拉的人造金剛石。

（2）大型工程機(jī)械

盾構(gòu)機(jī)是裝備制造業(yè)的標(biāo)志性產(chǎn)品，也是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的隧道掘進(jìn)用超大型專(zhuān)用設(shè)備。在中國(guó)日益重視開(kāi)發(fā)利用地下空間的今天，具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。2010～2015年期間，中國(guó)規(guī)劃建設(shè)的城市快速軌道交通項(xiàng)目總長(zhǎng)度達(dá)1700公里，5000多億元投資將聚集在這一領(lǐng)域。南水北調(diào)、西氣東輸?shù)戎卮蠊こ陶诖罅恳攵軜?gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)施工和制造正在成為一個(gè)巨大的市場(chǎng)。至2011年，全國(guó)大約需要500臺(tái)左右的盾構(gòu)機(jī)。按照國(guó)際市場(chǎng)每臺(tái)盾構(gòu)機(jī)400～600萬(wàn)美元的價(jià)格計(jì)算，這一領(lǐng)域的潛在市場(chǎng)每年高達(dá)150億～225億元。另外隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施與能源開(kāi)發(fā)等工程的投資規(guī)模日益加大常規(guī)的樁工機(jī)械如旋挖鉆機(jī)每年銷(xiāo)售超過(guò)500臺(tái)，長(zhǎng)螺旋鉆孔機(jī)超過(guò)400臺(tái)，工程機(jī)械年銷(xiāo)售總量超過(guò)800億元。而目前這些工程設(shè)備主要還是使用硬質(zhì)合金刀具材料，損耗大，更換困難，成本高。如將工作刀具的材料改為金剛石復(fù)合材料，將大大提高設(shè)備的使用效率，工程刀具的成本約占設(shè)備總成本的5%～8%，約有40～60億元的年工具成本消耗。每年將消耗的人造金剛石不少于60億克拉。

（3）道路建設(shè)

目前我國(guó)正在大幅度加快道路建設(shè)。高速公路超過(guò)5萬(wàn)公里，普通公路超過(guò)220萬(wàn)公里，農(nóng)村水泥路超過(guò)100萬(wàn)公里。每年的道路維修費(fèi)用需300～330億元，按每公里的維護(hù)工具使用2%的金剛石工具測(cè)算，每年的人造金剛石消耗將超過(guò)10億克拉。人造金剛石具有極高的硬度和超耐磨特性，在國(guó)家的機(jī)械、石材、石油、地質(zhì)、航空航天、軍工、汽車(chē)、冶金、電子等行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈中起著關(guān)鍵作用，決定國(guó)家的工業(yè)水平。隨著金剛石應(yīng)用的進(jìn)一步深入，超硬材料必將創(chuàng)造出更加廣闊的市場(chǎng)，為中國(guó)乃至世界工業(yè)的發(fā)展作出自己的貢獻(xiàn)。

圖4 2010年以前金剛石應(yīng)用比例Fig.4 Application rate of diamond before 2010

圖5 2020年以后金剛石應(yīng)用比例Fig.5 Application rate of diamond after 2020

（4）農(nóng)業(yè)機(jī)械

我國(guó)目前仍然是農(nóng)業(yè)國(guó)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度不同國(guó)家在世界上的地位也不同。到目前為止我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上仍未使用人造金剛石，究其根源仍然是金剛石價(jià)格較高。隨著金剛石價(jià)格進(jìn)一步下降以及應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，用以農(nóng)耕、收割、糧食作物加工等方面的機(jī)械在未來(lái)均會(huì)使用人造金剛石，農(nóng)業(yè)機(jī)械鉆石化市場(chǎng)廣闊 。

4 “鉆石時(shí)代”的人類(lèi)社會(huì)

人類(lèi)發(fā)展的歷程（圖6）：

圖6 人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷程Fig.6 Development process of human socity

人類(lèi)社會(huì)文明必將進(jìn)入下一個(gè)時(shí)代：“鉆石時(shí)代”，“鉆石時(shí)代”的特征是人們使用的工具大量應(yīng)用人造金剛石，特別是：用以農(nóng)耕、收割、糧食作物加工等方面的機(jī)械必須是人造金剛石工具。人們?nèi)粘Ｉ钪袑⒋罅渴褂勉@石，人造鉆石作為功能材料將大量應(yīng)用于日常生活，例如鉆石芯的CPU；鉆石芯的手機(jī)；鉆石芯的銀行卡等。鉆石刀、鉆石鋸、鉆石鏟、鉆石筆、鉆石錘等也十分常見(jiàn)。鐵與銅的熔化溫度相差僅500℃，人類(lèi)社會(huì)就走了幾千年。人造金剛石的人工合成要比煉鋼復(fù)雜得多，大約在60年前人類(lèi)才從石頭（天然石墨）中煉出了金剛石，截止目前人造金剛石單晶制造成本仍然較高（與鋼鐵相比），如果人造金剛石單晶制造成本再下降2個(gè)數(shù)量級(jí)，每噸的成本價(jià)格將是1萬(wàn)元人民幣，售價(jià)也僅相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)合金鋼的價(jià)格，此時(shí)人造金剛石單晶與鋼鐵相比價(jià)格相當(dāng)，如果人造金剛石工具制造業(yè)同步發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)文明一定會(huì)進(jìn)入“鉆石時(shí)代”。