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【问题解答&视频回看】方啸虎教授:CVD HPHT法培育钻石的战略思考与未来

写在前面:

在腾讯网上给大家作技术报告,是DT新材料和中国磨料磨具网的联合平台建议和安排本人才能和大家见面,谢谢他们的辛勤努力!

我的团队在报告中起到一定的作用,他们的为本人制作PPT提供了一些图片,丰富了报告内容,给予感谢!

更要感谢广大的听众和同仁!事后不少朋友打电手机告诉我,点击量竟然达1200人次以上,大大超过本人的预期!原来我认为国内搞培育钻石的人并不多,有100-150人就很好了。感谢大家的热情,现在竟然有一千多人!充分说明大家对培育钻石的关注度和支持度。

本报告理论联系实际,从宏观到微观展现了培育钻石的现在和未来,同时探讨了今后我们将可以利用那些现代的新技术,解决培育钻石和单晶大颗粒的研究方向。报告还提出一些殷切希望。

郑重声明:本报告仅代表个人观点,不涉及其他单位和个人。

方啸虎2021.12平安夜于上海

直播间问题集锦

问题1

培育钻石行业目前十分火热,投资、珠宝界、金刚石行业都蜂拥而至,会出现产量过剩的现象吗?这一方向未来的发展的前景如何?有多大的市场容量?

答:蜂拥而至的现象,在金刚石行业来说:近六十年来,已经出现好几次了最严重的过剩情况,当数上世纪九十年代,那时全国有近600家超硬材料原材料行业,后来大批量倒闭,仅留下10%左右或以下。这次又出现工业金刚石己经大量满足的状态,出现了价格竞争严重下滑的趋势。近十年来工业金刚石的产能在250亿克拉时,但金刚石产量总维持在150亿克拉,就是事实。幸好来了个“培育钻石”,有不少企业积累了十年左右的技术,正好展现出来。报告中已经很清楚表述,短短几年1/3的压机转入培育钻石生产,3000台大型压机的投入,是个什么概念,不可思议,大家思考一下,这是任何国家做不到的!

本人感到,做任何事情都有个度。我说得很清楚,是难得的机遇期,但我又在多处告诫同行朋友,千万注意动态,理性投资!盲目投资,必将受到“惩罚”!

一次性新上马几十亿,本人不太看好!

问题2

单晶钻石刀具用量大吗?未来前景怎么样,是不是越大越好!

答:有一定的增长量,特别是今后的产品再不能总是走以往的老路,我们与发达国家的主要差距,很多地方就是不够精细,所以纳米金刚石以后会越来越多。但总的来说竞争是残酷无情的,主要来自CVD,他本身具有很大的优势,如国内的沃尔德(希波尔);另外要密切关注吉林大学、燕山大学、四川大学、浙江大学的新型优质超高压新型超硬碳材料动态发展态势,他们都是在10-30万大气压来实现超高强度碳材料的。假如他们的产品能够产业化,那对当前的单晶金刚石刀具将产生竞争力,当然这产业化还有个过程;第三,国外的金刚石刀具,如、日、德、美等还是有一定的竞争能力的。

除了这些因素之外,CVD、超硬碳材料等有一个非常好的优势,就是他们都是多晶,不存在方向性。自然单晶大颗粒金刚石,几种主要晶面碳元素的面网密度是不一样的,(111)>(110)>(100)。硬度高有利于高速磨削和强力磨削,从而提高磨削效率。在使用中应注意用面网密度大小,这也是充分发挥单晶大颗粒优势的一个非常重要的内容。

是不是越大越好呢?肯定的回答:不是的!这就要看什么刀具而定,制作刀具的单位接单时,都有个批量值,以切割最佳值为依据,来设定它的大小为准。这方面个人意见还是以CVD为好!刀具的刃口都比较小,不像复合片用于各种钻探较多,如石油钻探,所以需要大些。而刀具小一些即可。

问题3

我国超硬材料一直大而不强,尤其是在超精密加工领域,你认为要从哪些方面改善这一局面?

答:我有在十年前就在调整这一笼统的提法,应该说:中国在超硬材料领域相当多的范围内,已经达到国际先进水平而且在某些方面已经处在领先水平。中国超硬材料的性价比远远高于国外,逼得国外不得不停产国际上已经无竞争对手,还有之二的问题吗?不争的事实就说明了问题,更何况中国超硬材料真正也在质量明显有了很大程度上的提高!

假如说超精密刀具方面,最好问问沃尔德的陈继锋,看看他是怎么说的。据我所知,应该是各有千秋了吧,日本某个别企业其开拓创新已经力不从心。美国领先的企业已经融合到国内,加入到国内的主力阵容。所以任何事物,都要客观的判断,好的方面我们努力学习、提高。我们已经足够好,也应该承认事实,不要尽管唱衰,也不太合适。我们应该在获得很快进展时,充分提高自己的信心!不过这方面的优势我们还应该扩大。

问题4

钻石纯净度和尺寸主要受哪些因素影响?触媒和培育工艺 对比,哪一块在HPHT工艺中影响更大?

答:培育钻石净度主要受晶体生长环境与生长速度影响,不同生长环境有与之对应的最优生长速度,这方面在报告里已经有了阐述。培育钻石尺寸主要受生长腔体大小、触媒层厚度以及生长周期等因素的影响。相比而言触媒对HPHT工艺影响大一些。

总的说来说,一个系统工程的事,思维要开阔一些,当然我们可以说,抓住主要矛盾,一切问题就迎刃而解,但对一件一件事物没有认识之前,还是要分别认识,最后综合处理,就可事半功倍。

问题5

培育钻石现在消费者接受度怎么样呢?

答:在这方面,在我一开始那张图里已经说得很清楚了。当然这方面也有个过程,说得难听点,是有个“厮杀”过程的。当然主导和演出的还是D.B公司,开始他们不想发展试验室钻石,以保住天然金刚石的高价位,但一看试验室钻石来势汹汹,他们也搞,但把价位压得很低。而且说天然金刚石比人造的好,但很多鉴定数据出来后,人造的净度、颜色、大小都优于天然的,而且成本也随着技术的进步和支持,得到很大的下降,珠宝商的进入,大大改变了人们的看看法。D.B公司开始改变策略,一起推进了试验室钻石的发展,现在只是在钻石加工后加以标注“天然”、“试验室”,天然的价格还是要高很多。由于年轻人。多数还是接受价廉物美的“培育钻石”。

讲点故事的目的,就是让大家自己去辨别。其实美国年轻人70%以上,甚至80%认可了培育钻石,印度等认可度更高,大家从市场上就非常清楚了。这里也有个文化问题,中国可能有些滞后,中国更愿意接受金、银,甚至珍珠。随着时间的推移,中国的未来市场潜力应该是相当大的!

问题6

纳米金刚石既具有金刚石性能又具有纳米材料的性质,您能简单的介绍下它的主要应用和未来前景吗?

答:这不是本次讲座的内容。朋友们提出来了我就简单说几句

应该说,它的用途相当广泛:①把它放在机油里可以增加机油的润滑性(以前曾有人在机油里加钼的金属细粉来增加机油的润滑性)当然加纳米金刚石会更好;②做成树脂或陶瓷结合剂的砂轮用于高精度的研磨砂轮,用于軍工、航空航天、导弹等应用;③加入油剂悬浮液中做研磨材料,制成高档研磨液,用于高精度研磨抛光。用于航天飞行器、大型飞机、大型发电机、军工;④加入橡胶制品,做成耐磨轮胎及其它耐磨器械。还有很多介质都可加入都能发挥优势……这方面还有很多工作要做,可以做。关键性的问题是解决团化的解团工作,大还应该下一番苦功!

纳米金刚石另一个最大优势是纯碳,人体对它没有排它性,有时还有亲和性,所以我称它是人体的“友好”材料。因此它在生物工程和生命科学方面具有特别重要的意义,现在看到最多的是在治疗癌症方面,将会有突出贡献。

最新的应用是在内10-30万大气压之下,合成多碳的多晶体。这还是在研制阶段,短期内用量不会很大。

问题7

现在工厂都去生产白钻了,以后工业用金刚石发展是什么?

答:近年,工业金刚石出现少有的卖方市场。看来6000台中国的生产能力,总体来说应该比较合理,适度的卖方市场只会有益而无害,但中国做不到。150亿克拉-180亿克拉,应该是全球最佳状态,只有全面提升才有可能有新的发展。工业金刚石会出现集中和分散相结合的状态,当市场有的有新用途时会相对集中一下,多数会出现相对稳定状态。

培育钻石本来已经可以压制多种颜色,报告中已有展示,其中黄钻首先出现,但市场更多的接受白钻,所以现在流行转入生产白钻了。其他颜色应观察市场动态进行投入,但技术还是要先掌握,随机应变。

问题8

提高高温高压合成钻石质量关键性的技术因素有哪几个?除了金属触媒剂以外,还有哪些材料可以作为触媒剂?

答:我建议您去读一读《人造钻石简史》,我读过不少这方面的资料,也在我的书中描述过。这篇文章应该比较系统回答了金刚石的国外情况。从HTHP→CVD都做了介绍,我就不多说了。我说一句话:一个重大的发明和重大的突破,人们都会有一些奇思妙想,然后再去试验、实践。任何捷径都尝不到甜美的果实。

本人和一些知友,早期因为国外对我国的技术封锁,拿不到真实的参考资料,开始是经过一个盲选过程而过来的,那时选择范围很宽,做了150种左右的方案。在那一张白纸的年代大家可以理解的。我们一方面组织力量研制,一方面利用冶金部的优势到一些研制合金的单位去翻找。那时只有一个概念,不加“触媒”,合成压力很高,几乎压不出金刚石(那时顶锤质量很差,一个頂锤能用300次就是合格品,500次就是好頂锤)。当时合成“高品质金刚石”是首要任务。为了找到可以提高质量的触媒,研究新触媒成了当时主要任务之一。现在我们已经非常清楚了,合成金刚石必须是与八族元素有关。另外就是把压力提上去(超HTHP法和爆炸法)。而合成立方氮化硼就与碱金属,碱土金属及其氮化物,硼氮化物有关。这时再讨论所谓触媒的已经没有什么价值了!

假如说是讨论掺杂物,就另当别论了!还有譬如说,想控制大单晶的生长速率,还可添加抑制剂!所以讨论问题要全面、多因素出发!

问题9

高纯氢在培育钻石过程中有什么帮助和提高什么费效!

答:这个问题应该是在开展CVD朋友提出的。目前我所知道的是在CVD法中用的以氮为主,和氢气混合使用也是不错的方案。国内外基本上都是用甲烷基CH4为主,无论是热丝法还是多种等离子法,其目的就是在低压,甚至负压的高温条件,将其键打断。形成C和H的离子态,然后让C离子逐步生长到基底上。这时有时是氢和甲烷同时加入,有时有氮一起加入,初始都要把容器中的空气除去,就是抽至真空或负压状态。然后保证容器内的纯净非常重要,甲烷也同样要纯净,氢和氮都要很纯净。不然生成的金刚石就容易受带入的杂质影响,而生长发育不好。氢和氮在容器中起着金刚石的速率和状态,这是非常重要的。

当然有意识的要金刚石生长为其他带某种颜色时,又可采取另外的措施。这就要各自研究了。

问题10

请问目前中国能生产的最大钻石单晶体多大?

答:此问题在报告中已经有介绍,可以查到的。简单说:HTHP方法目前国内做得最大的有30毫米左右,40-50克拉;而CVD法最大的可达75克拉。目前在研制过程中发现,假如要想生长大的金刚石都要采取一些特殊的工艺,保持腔体内(或容器内)温度、压力的稳定性。

问题11

目前碳基半导体被认为新的半导体赛道,金刚石也是被誉为终极半导体,您觉得他的产业化有多远?

答:这个问题问得挺好,因为问到了世界级的主要问题了尽管也不是这次所讲的问题我还是简单说一下。为什么说他问得好呢?因为众所周知,金刚石的半导体应用,不是近来才提出来的,据本人所知,已经有数十年了。所谓半导体就是N-P的一组结,而所知他将是最小,结构最好的一组“结”。目前到了什么程度呢?N结已经稳定多年,但P结始终处在不稳定状态,所以成为当前各个先进发达国家的共同攻关课题。为此本人专门请教了这方面的科学家,据他说:已经有苗头,近的话应该在3-5年将会有突破,最迟十年内可以突破和应用。这就是我给你的最佳答复。

写在后面:

提的问题还有的太科普,或有重复的就没有解答,希望少数听众有机会,还是自己养成一些读书、看资料、读文献的习惯。这对提高自己水平和解决问题的能力有时好处。假如你这些都做到了,还不能解决,可以直接找我,我会在一定范围内帮助你,或委托另外的专家、老师帮助你!

在解答问题时,本人发现一个倾向,就是大家对市场和马上能解决问题需要方法特别重视,而对为什么问之太少。这不好!我认为基本做法应该是:边实践边研究边理论,要有刨根究底的精神才能知其一推其二,举一反三,把工作做得更好!以前我们整个国家都不太注意基础理论工作,现在我国己经下决心要彻底改变这种情况。

本人在报告中提了很多新观点和看法,听过报告的朋友同仁都明白了吗?为何在技术问题上的十余条和未来的四条没有新老朋友们,没有太多人关注?所以报告人希望大家多进行这些问题多一些展开研讨,将是有益的。

2021.12.25结束

本文来源:方啸虎教授

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