一、大顆粒工業(yè)金剛石特性及用途
金剛石極高的硬度早在古代就為人們所認識,，然而在相當長的一個時期里，人們僅把開采的天然金剛石當作“寶石”,，主要用來制作高級裝飾品,。人類最早利用天然金剛石制作金剛石刀具,，是利用天然金剛石自然棱角做切削刀刃進行切割加工的，如玻璃刻刀,，珠寶、玉石雕刻刀等,。
隨著鉆石首飾研磨拋光技術的發(fā)展,，經人工精磨帶有切削刃的天然金剛石刀具應運而生，經過精細研磨,，其刃口半徑可達0.01-0.002μm,。但天然金剛石較脆，其結晶各向異性,，不同晶面或同一晶面不同方向的晶體硬度均有差異,，在進行刃磨和使用時必須選擇合適的方向。
二次世界大戰(zhàn)期間,，為了滿足軍事裝備的精密切削加工的需要,，以及二戰(zhàn)后為滿足手表精密零件，裝飾件和首飾雕花等加工需要,，天然金剛石刀具應用市場逐漸發(fā)展起來,。
二十世紀七十年代，現(xiàn)代尖端科學技術領域的許多產品,，如用于航空工業(yè)的陀螺儀,、激光器中的金屬反射鏡，雷達的波導管內腔,，激光打印機中的多面棱鏡,，錄像機磁頭、復印機硒鼓,、計算機磁盤基片以及太空望遠鏡中的大型反射鏡等,，都要求得到超光滑的加工表面和高的加工精度。在現(xiàn)實需求的推動下,，在已有的金剛石車削技術基礎上,，天然金剛石刀具超精密鏡面切削技術得到迅速發(fā)展，天然金剛石超精密刀具應用市場迅速擴大,，天然金剛石需求量也隨之迅速增加,。然而，迄今為止,，目前世界上天然金剛石的年產量約1億克拉左右,，而其中適于制作切削刀具必須是大顆粒（質量大于0.2ct,，最小徑長不小于1.5mm）。因此適合制作切削刀具的天然金剛石占年產量的比例非常小,，約占3-4%,。這嚴重地影響了天然金剛石刀具應用領域的擴充。
由于聚晶金剛石復合片就是作為金剛石大單晶的替代品而被研制出的,，因此聚晶金剛石復合片所涉及的應用領域均能用金剛石大單晶代替,，而且其加工精度要高于聚晶金剛石復合片。在市場調研中了解到,，由于大單晶作為刀具使用時其成本明顯高于同尺寸的聚晶金剛石復合片刀具,，因此目前二者并存于刀具市場。
天然金剛石資源的不可再生性,，決定了其數量是越來越少,，價格越來越貴。在產品性能方面,，人造金剛石與天然金剛石在晶體構造上完全相同而在純度上接近或超過天然金剛石,，所以人造金剛石在性能上也接近或超過天然金剛石。采用單晶大顆粒人造金剛石制成單件鉆石工具在工業(yè)上得到成功應用,，表明人造金剛石在工業(yè)上全面取代天然金剛石的時代已經到來,。
在市場調研中與吉林大學超硬材料重點試驗室的有關專家接觸后取得了樣品，通過與運城力天世紀刀具有限公司技術人員的接觸,，他們對提供的樣品尺寸,、內部包裹體含量等基本滿意，并希望將其加工成刀具進行進一步的性能測試,。
二,、大顆粒工業(yè)金剛石的市場前景
目前，金剛石行業(yè)競爭殘酷,。自2004年,，壓機噸位迅速擴大、數量劇增,，目前已超過5000臺,。合成腔體從過去最大的φ28mm擴大到φ40mm以上，金剛石單產從過去的30克拉增加到100克拉,，目前我國金剛石單晶的年生產能力超過50億克拉,。除了個別企業(yè)憑借規(guī)模效應略有盈利外，大部分企業(yè)庫存積壓嚴重,，導致虧損,。隨著間接加熱技術的應用，在原有基礎上擴大合成腔體已經成為行業(yè)大多數企業(yè)應對當前競爭的主要手段，隨著腔體擴大帶來的單產升高,、成本降低等一系列問題,，500mm缸徑壓機即將面臨被淘汰出局部利益的命運,可以預見,原來處于行業(yè)中等規(guī)模的廠家大部分將會被淘汰,500mm缸徑壓機也將退出歷史舞臺，如果不能及時的開發(fā)出新的用途,，必將變成一噸廢鐵,。目前行業(yè)500缸徑壓機的服役年限一般不超過六年，設備狀態(tài)良好,，如能開發(fā)出新的用途,，必將產生巨大的經濟效益。我們希望能夠利用目前行業(yè)500缸徑壓機六面頂壓機進行新產品開發(fā),，尋找新的附加值高的產品,，把投資大、數量多的金剛石壓機資源充分利用起來,。
六面頂人造金剛石壓機目前可生產的產品有：人造金剛石、立方氮化硼,、金剛石復合片,、立方氮化硼復合片、金剛石聚晶,、立方氮化硼聚晶等產品,。目前磨料級金剛石的生產即將陷入困境，國內復合片和聚晶的生產廠家越來越多,，如果沒有過人的優(yōu)越性,，很難在市場競爭中獲得成功，常規(guī)質量的聚晶和復合片也將陷入磨料級金剛石生產的境地,。
從目前國內市場的調查情況看,，大顆粒工業(yè)金剛石的應用呈現(xiàn)擴大的態(tài)勢，而產品來源主要依靠進口來滿足,。國內大顆粒工業(yè)金剛石的生產多處于試驗階段,，號稱能夠批量提供8/10金剛石單晶的中南金剛石廠目前推向國內市場的最粗粒度金剛石為14/16目，單價14元/克拉,，仍然無法達到國內對大顆粒工業(yè)金剛石的尺寸要求,，8/10目產品成本相對較高，售價依據品質的高低在260-600元/克拉之間,，與國外同類產品比較,，不具備明顯的競爭優(yōu)勢。
單晶金剛石可分為天然金剛石和人工合成金剛石,。單晶金剛石用于制作切削刀具必須是大顆粒（質量大于0.2ct,，最小徑長不小于1.5mm）。
作為刀具使用的天然金剛石工作條件苛刻，資源有限,，價格昂貴,，但隨著對加工精度要求的不斷提高，人們對天然金剛石大單晶的需求在不斷增加,。在市場調研過程中發(fā)現(xiàn),，運城地區(qū)作為我國制版行業(yè)的集中地，每年對0.2ct以上的天然金剛石的需求高達數億元,；基本全部從國外進口,，在北京希波爾進行調研時了解到該公司每年大單晶的加工額也有數千萬元。
從晶體構成的角度分析,，人造金剛石與天然金剛石在晶體構造上完全相同,，因此只要在純度上接近或超過天然金剛石，人造金剛石在性能上也就可以接近或超過天然金剛石,，而且大顆粒工業(yè)金剛石的人工合成具有可控性,，尺寸、形狀和性能具有良好的一致性,，完全可以替代天然金剛石,，且成本易于控制。
隨著目前高溫高壓合成金剛石單晶技術的日趨成熟,，元素六公司,、日本住友、美國G.E公司等均能批量向市場供應切削加工刀具用金剛石大單晶（尺寸3.5×1.5×1.5mm以上）,。由于國內尚無一家企業(yè)能夠工業(yè)化生產適合切削刀具用的大顆粒工業(yè)金剛石,，國內市場基本為國外產品占據。而且在市場調研過程中了解到,，由于人工合成的大顆粒工業(yè)金剛石性能上可以做到與天然金剛石相同,，且價格上具有優(yōu)勢，因此大顆粒工業(yè)金剛石具有極其廣闊的應用和發(fā)展空間,。
金剛石特殊的性能使得其他物質無法代替,，如果能夠率先在國內開發(fā)出大顆粒工業(yè)金剛石制造技術，不但能夠以較低的市場進入條件贏得市場,，而且能夠充分發(fā)揮500缸徑壓機的潛能,，減少資源的浪費；將來更能一較大的優(yōu)勢進入世界市場,，贏得超額利潤,；后續(xù)更能以大顆粒工業(yè)金剛石的生產為基礎進入刀具市場，將可能導致刀具行業(yè)一次新的革命,；甚至進軍金剛石半導體芯片領域,，引領半導體產業(yè)的最后一次革命,。我們認為大顆粒工業(yè)金剛石產品還是比較具有開發(fā)價值的，理由主要由兩點：一是市場需求很大,，金剛石硬度的特殊性能使得其他物質不可替代,；其二，大顆粒工業(yè)金剛石制造技術目前行業(yè)其他家還沒有進行工業(yè)化生產,，國外進口產品和國內試驗得到的樣品價格昂貴,，市場利潤豐厚。
三,、大顆粒工業(yè)金剛石技術現(xiàn)狀
我國大顆粒工業(yè)金剛石的合成起步雖然不晚,，但進展不盡如人意，我國在大顆粒金剛石合成方面與國際先進水平相比還存在著較大差距,。中科院上海硅酸鹽研究所曾經于上世紀70年代中期用單源六面頂壓機合成出4mm單晶金剛石,，但由于再現(xiàn)性等問題，該項研究工作沒有繼續(xù)進行,。1998年12月,，吉林大學超硬材料國家重點實驗室利用國產六面頂壓機首次合成直徑達3mm的寶石級金剛石單晶。2001年,，吉林大學利用溫度梯度法,，，以金屬鈷作為觸媒,，在6×800噸六面頂壓機首次生長出約1mm高品位金剛石。隨后,，經過更深入的研究實驗,，據說已經能夠穩(wěn)定生長出5mm優(yōu)質大單晶金剛石。
國外寶石級金剛石合成技術已經很成熟,，利用溫度梯度法,，1970GE公司生長出1克拉(5mm)金剛石單晶、,、1990年住友公司用大晶種法生長出9克拉(12mm)金剛石單晶,、1996年DeBeers用100h合成出25克拉Ⅰb金剛石單晶、2000年住友公司合成出8.0克拉(10mm)優(yōu)質Ⅱa型金剛石單晶,。目前國外的高溫高壓合成金剛石單晶技術日趨成熟,，元素六、日本住友,、美國GE公司等均能向市場批量供應切削加工刀具用大顆粒工業(yè)金剛石（尺寸3.5*1.5*1.5以上）,，價格很高，利潤豐厚,。
國內外目前普遍采用晶種法合成大顆粒金剛石單晶,，這種合成工藝組裝結構復雜、組裝成本很高，由于生長普遍采用溫度梯度法,，金剛石晶種處于相對低溫區(qū),，導致合成質量很難提高，再現(xiàn)性差,，成功率不高,，金剛石生長速度緩慢，單位制造成本居高不下,，新的合成方法將避免出現(xiàn)以上問題,，在降低成本的同時，提高成功率和單次產量,，同時大幅度提高金剛石的生長速度,。
四、大顆粒工業(yè)金剛石合成技術簡介
本技術采用間接加熱自發(fā)成核技術,，克服了晶種法結構復雜,、成本高、金剛石生長速度慢和成功率低等缺點,，通過對組裝結構,、傳壓系統(tǒng)、設備保溫保壓性能和石墨柱材料結構的改進,，改善了金剛石的生長條件,，加上先進的成核和生長工藝控制技術，在大幅度提高金剛石生長速度的同時,，確保了合成質量的提高,。目前用四十分鐘和五十分鐘合成的0.9*1.2mm、1*1.4mm單晶,，晶形為IIb型,，合成質量已經基本達到細粒度（40/45）高品級單晶的水平，單次合成數量可以有效的控制在200-300粒,，重復性良好,，試驗期間未發(fā)生裂錘現(xiàn)象，目前試驗的進展情況驗證了本技術理論的合理性和可行性,。
受設備性能和其他條件的限制,，試驗無法繼續(xù)進行，需要對傳統(tǒng)設備進行改造,，對頂錘幾何尺寸和組裝結構重新設計以進一步在保證質量的前提下生長速度,。在目前的情況下，能夠保證單晶的生長速度達到0.2-0.3mm/10分鐘,，經過對試驗所得樣品和相關試驗數據的分析,，已經有絕對把握在2-3小時內實現(xiàn)1.5*2.1mm,、2*3mm高品級單晶的連續(xù)合成，預計試驗周期在材料和設備具備條件的情況下不會超過兩個月,。
金剛石極高的硬度早在古代就為人們所認識,，然而在相當長的一個時期里，人們僅把開采的天然金剛石當作“寶石”,，主要用來制作高級裝飾品,。人類最早利用天然金剛石制作金剛石刀具,，是利用天然金剛石自然棱角做切削刀刃進行切割加工的，如玻璃刻刀,，珠寶、玉石雕刻刀等,。
隨著鉆石首飾研磨拋光技術的發(fā)展,，經人工精磨帶有切削刃的天然金剛石刀具應運而生，經過精細研磨,，其刃口半徑可達0.01-0.002μm,。但天然金剛石較脆，其結晶各向異性,，不同晶面或同一晶面不同方向的晶體硬度均有差異,，在進行刃磨和使用時必須選擇合適的方向。
二次世界大戰(zhàn)期間,，為了滿足軍事裝備的精密切削加工的需要,，以及二戰(zhàn)后為滿足手表精密零件，裝飾件和首飾雕花等加工需要,，天然金剛石刀具應用市場逐漸發(fā)展起來,。
二十世紀七十年代，現(xiàn)代尖端科學技術領域的許多產品,，如用于航空工業(yè)的陀螺儀,、激光器中的金屬反射鏡，雷達的波導管內腔,，激光打印機中的多面棱鏡,，錄像機磁頭、復印機硒鼓,、計算機磁盤基片以及太空望遠鏡中的大型反射鏡等,，都要求得到超光滑的加工表面和高的加工精度。在現(xiàn)實需求的推動下,，在已有的金剛石車削技術基礎上,，天然金剛石刀具超精密鏡面切削技術得到迅速發(fā)展，天然金剛石超精密刀具應用市場迅速擴大,，天然金剛石需求量也隨之迅速增加,。然而，迄今為止,，目前世界上天然金剛石的年產量約1億克拉左右,，而其中適于制作切削刀具必須是大顆粒（質量大于0.2ct,，最小徑長不小于1.5mm）。因此適合制作切削刀具的天然金剛石占年產量的比例非常小,，約占3-4%,。這嚴重地影響了天然金剛石刀具應用領域的擴充。
由于聚晶金剛石復合片就是作為金剛石大單晶的替代品而被研制出的,，因此聚晶金剛石復合片所涉及的應用領域均能用金剛石大單晶代替,，而且其加工精度要高于聚晶金剛石復合片。在市場調研中了解到,，由于大單晶作為刀具使用時其成本明顯高于同尺寸的聚晶金剛石復合片刀具,，因此目前二者并存于刀具市場。
天然金剛石資源的不可再生性,，決定了其數量是越來越少,，價格越來越貴。在產品性能方面,，人造金剛石與天然金剛石在晶體構造上完全相同而在純度上接近或超過天然金剛石,，所以人造金剛石在性能上也接近或超過天然金剛石。采用單晶大顆粒人造金剛石制成單件鉆石工具在工業(yè)上得到成功應用,，表明人造金剛石在工業(yè)上全面取代天然金剛石的時代已經到來,。
在市場調研中與吉林大學超硬材料重點試驗室的有關專家接觸后取得了樣品，通過與運城力天世紀刀具有限公司技術人員的接觸,，他們對提供的樣品尺寸,、內部包裹體含量等基本滿意，并希望將其加工成刀具進行進一步的性能測試,。
二,、大顆粒工業(yè)金剛石的市場前景
目前，金剛石行業(yè)競爭殘酷,。自2004年,，壓機噸位迅速擴大、數量劇增,，目前已超過5000臺,。合成腔體從過去最大的φ28mm擴大到φ40mm以上，金剛石單產從過去的30克拉增加到100克拉,，目前我國金剛石單晶的年生產能力超過50億克拉,。除了個別企業(yè)憑借規(guī)模效應略有盈利外，大部分企業(yè)庫存積壓嚴重,，導致虧損,。隨著間接加熱技術的應用，在原有基礎上擴大合成腔體已經成為行業(yè)大多數企業(yè)應對當前競爭的主要手段，隨著腔體擴大帶來的單產升高,、成本降低等一系列問題,，500mm缸徑壓機即將面臨被淘汰出局部利益的命運,可以預見,原來處于行業(yè)中等規(guī)模的廠家大部分將會被淘汰,500mm缸徑壓機也將退出歷史舞臺，如果不能及時的開發(fā)出新的用途,，必將變成一噸廢鐵,。目前行業(yè)500缸徑壓機的服役年限一般不超過六年，設備狀態(tài)良好,，如能開發(fā)出新的用途,，必將產生巨大的經濟效益。我們希望能夠利用目前行業(yè)500缸徑壓機六面頂壓機進行新產品開發(fā),，尋找新的附加值高的產品,，把投資大、數量多的金剛石壓機資源充分利用起來,。
六面頂人造金剛石壓機目前可生產的產品有：人造金剛石、立方氮化硼,、金剛石復合片,、立方氮化硼復合片、金剛石聚晶,、立方氮化硼聚晶等產品,。目前磨料級金剛石的生產即將陷入困境，國內復合片和聚晶的生產廠家越來越多,，如果沒有過人的優(yōu)越性,，很難在市場競爭中獲得成功，常規(guī)質量的聚晶和復合片也將陷入磨料級金剛石生產的境地,。
從目前國內市場的調查情況看,，大顆粒工業(yè)金剛石的應用呈現(xiàn)擴大的態(tài)勢，而產品來源主要依靠進口來滿足,。國內大顆粒工業(yè)金剛石的生產多處于試驗階段,，號稱能夠批量提供8/10金剛石單晶的中南金剛石廠目前推向國內市場的最粗粒度金剛石為14/16目，單價14元/克拉,，仍然無法達到國內對大顆粒工業(yè)金剛石的尺寸要求,，8/10目產品成本相對較高，售價依據品質的高低在260-600元/克拉之間,，與國外同類產品比較,，不具備明顯的競爭優(yōu)勢。
單晶金剛石可分為天然金剛石和人工合成金剛石,。單晶金剛石用于制作切削刀具必須是大顆粒（質量大于0.2ct,，最小徑長不小于1.5mm）。
作為刀具使用的天然金剛石工作條件苛刻，資源有限,，價格昂貴,，但隨著對加工精度要求的不斷提高，人們對天然金剛石大單晶的需求在不斷增加,。在市場調研過程中發(fā)現(xiàn),，運城地區(qū)作為我國制版行業(yè)的集中地，每年對0.2ct以上的天然金剛石的需求高達數億元,；基本全部從國外進口,，在北京希波爾進行調研時了解到該公司每年大單晶的加工額也有數千萬元。
從晶體構成的角度分析,，人造金剛石與天然金剛石在晶體構造上完全相同,，因此只要在純度上接近或超過天然金剛石，人造金剛石在性能上也就可以接近或超過天然金剛石,，而且大顆粒工業(yè)金剛石的人工合成具有可控性,，尺寸、形狀和性能具有良好的一致性,，完全可以替代天然金剛石,，且成本易于控制。
隨著目前高溫高壓合成金剛石單晶技術的日趨成熟,，元素六公司,、日本住友、美國G.E公司等均能批量向市場供應切削加工刀具用金剛石大單晶（尺寸3.5×1.5×1.5mm以上）,。由于國內尚無一家企業(yè)能夠工業(yè)化生產適合切削刀具用的大顆粒工業(yè)金剛石,，國內市場基本為國外產品占據。而且在市場調研過程中了解到,，由于人工合成的大顆粒工業(yè)金剛石性能上可以做到與天然金剛石相同,，且價格上具有優(yōu)勢，因此大顆粒工業(yè)金剛石具有極其廣闊的應用和發(fā)展空間,。
金剛石特殊的性能使得其他物質無法代替,，如果能夠率先在國內開發(fā)出大顆粒工業(yè)金剛石制造技術，不但能夠以較低的市場進入條件贏得市場,，而且能夠充分發(fā)揮500缸徑壓機的潛能,，減少資源的浪費；將來更能一較大的優(yōu)勢進入世界市場,，贏得超額利潤,；后續(xù)更能以大顆粒工業(yè)金剛石的生產為基礎進入刀具市場，將可能導致刀具行業(yè)一次新的革命,；甚至進軍金剛石半導體芯片領域,，引領半導體產業(yè)的最后一次革命,。我們認為大顆粒工業(yè)金剛石產品還是比較具有開發(fā)價值的，理由主要由兩點：一是市場需求很大,，金剛石硬度的特殊性能使得其他物質不可替代,；其二，大顆粒工業(yè)金剛石制造技術目前行業(yè)其他家還沒有進行工業(yè)化生產,，國外進口產品和國內試驗得到的樣品價格昂貴,，市場利潤豐厚。
三,、大顆粒工業(yè)金剛石技術現(xiàn)狀
我國大顆粒工業(yè)金剛石的合成起步雖然不晚,，但進展不盡如人意，我國在大顆粒金剛石合成方面與國際先進水平相比還存在著較大差距,。中科院上海硅酸鹽研究所曾經于上世紀70年代中期用單源六面頂壓機合成出4mm單晶金剛石,，但由于再現(xiàn)性等問題，該項研究工作沒有繼續(xù)進行,。1998年12月,，吉林大學超硬材料國家重點實驗室利用國產六面頂壓機首次合成直徑達3mm的寶石級金剛石單晶。2001年,，吉林大學利用溫度梯度法,，，以金屬鈷作為觸媒,，在6×800噸六面頂壓機首次生長出約1mm高品位金剛石。隨后,，經過更深入的研究實驗,，據說已經能夠穩(wěn)定生長出5mm優(yōu)質大單晶金剛石。
國外寶石級金剛石合成技術已經很成熟,，利用溫度梯度法,，1970GE公司生長出1克拉(5mm)金剛石單晶、,、1990年住友公司用大晶種法生長出9克拉(12mm)金剛石單晶,、1996年DeBeers用100h合成出25克拉Ⅰb金剛石單晶、2000年住友公司合成出8.0克拉(10mm)優(yōu)質Ⅱa型金剛石單晶,。目前國外的高溫高壓合成金剛石單晶技術日趨成熟,，元素六、日本住友,、美國GE公司等均能向市場批量供應切削加工刀具用大顆粒工業(yè)金剛石（尺寸3.5*1.5*1.5以上）,，價格很高，利潤豐厚,。
國內外目前普遍采用晶種法合成大顆粒金剛石單晶,，這種合成工藝組裝結構復雜、組裝成本很高，由于生長普遍采用溫度梯度法,，金剛石晶種處于相對低溫區(qū),，導致合成質量很難提高，再現(xiàn)性差,，成功率不高,，金剛石生長速度緩慢，單位制造成本居高不下,，新的合成方法將避免出現(xiàn)以上問題,，在降低成本的同時，提高成功率和單次產量,，同時大幅度提高金剛石的生長速度,。
四、大顆粒工業(yè)金剛石合成技術簡介
本技術采用間接加熱自發(fā)成核技術,，克服了晶種法結構復雜,、成本高、金剛石生長速度慢和成功率低等缺點,，通過對組裝結構,、傳壓系統(tǒng)、設備保溫保壓性能和石墨柱材料結構的改進,，改善了金剛石的生長條件,，加上先進的成核和生長工藝控制技術，在大幅度提高金剛石生長速度的同時,，確保了合成質量的提高,。目前用四十分鐘和五十分鐘合成的0.9*1.2mm、1*1.4mm單晶,，晶形為IIb型,，合成質量已經基本達到細粒度（40/45）高品級單晶的水平，單次合成數量可以有效的控制在200-300粒,，重復性良好,，試驗期間未發(fā)生裂錘現(xiàn)象，目前試驗的進展情況驗證了本技術理論的合理性和可行性,。
受設備性能和其他條件的限制,，試驗無法繼續(xù)進行，需要對傳統(tǒng)設備進行改造,，對頂錘幾何尺寸和組裝結構重新設計以進一步在保證質量的前提下生長速度,。在目前的情況下，能夠保證單晶的生長速度達到0.2-0.3mm/10分鐘,，經過對試驗所得樣品和相關試驗數據的分析,，已經有絕對把握在2-3小時內實現(xiàn)1.5*2.1mm,、2*3mm高品級單晶的連續(xù)合成，預計試驗周期在材料和設備具備條件的情況下不會超過兩個月,。
