人造金刚石与天然金刚石的比较_I_Sunagawa

人造金刚石研究报告摘要：人造金刚石是一种通过人工合成方式制备的具有类似天然金刚石结构和性质的新材料。

其在颜色、硬度和耐磨性方面具有突出优势，并且具有广泛的应用前景。

本报告对人造金刚石的制备方法、性质以及应用进行了综述，并对其未来发展方向进行了展望。

1.引言金刚石是一种具有超高硬度和优异物理性质的自然矿物，然而，其稀缺性和高价值限制了其应用范围。

人造金刚石的问世填补了市场需求与供给之间的空白，为不同领域的应用提供了更多可能性。

2.人造金刚石的制备方法人造金刚石的制备方法主要包括高温高压法、化学气相沉积法和其他化学合成方法。

高温高压法是最早被使用的方法之一，通过在高温高压条件下模拟地壳中金刚石的形成过程制备人造金刚石。

化学气相沉积法则是将金属催化剂与烃类原料放置在高温高压下进行反应制备金刚石。

其他化学合成方法则采用不同的化学反应路径，在较低温度和压力条件下制备金刚石。

3.人造金刚石的性质人造金刚石的性质类似于天然金刚石，具有极高的硬度、热导率和光学透明性。

然而，人造金刚石也有其不同之处，如杂质含量较高、晶体结构略有差异。

人造金刚石的硬度和耐磨性使其在工业领域中有着广泛的应用，例如用于切削工具、磨料、光学器件等。

4.人造金刚石的应用人造金刚石因其独特的性质在多个领域得到了应用。

在切削工具领域，人造金刚石可制成高速切削刀具，用于加工硬质材料；在电子学领域，人造金刚石具有优异的热导率和绝缘性能，可用于制备高功率电子设备的散热材料；在光学领域，人造金刚石可用于制备光学窗口、透镜和激光器件等。

5.人造金刚石的未来发展随着科技的进步和人造金刚石制备技术的不断发展，人造金刚石在未来有着广阔的应用前景。

研究人员正在尝试改进制备方法，提高人造金刚石的质量和晶体尺寸，以满足不同应用需求。

此外，人造金刚石的微纳加工技术也是一个研究的热点，将有助于人造金刚石在纳米器件和生物医学领域的应用。

结论：人造金刚石作为一种新的材料，在颜色、硬度和耐磨性方面具有突出优势，并且具备多种应用潜力。

国产金刚石和进口金刚石的比较金刚石作为切削工具的主要生产原料，在国内的需求量越来越大。

主要用于制作金刚石钻头、金刚石复合片、金刚石砂轮、金刚石绳锯等切削具。

伴随我国全国范围内的大开发，各类切削具的使用量大幅提高。

在国内的生产厂家也是越来越多，但是产品的品质确实参差不齐，主要是生产技术、生产原料和生产工艺的差别。

最关键的还是生产原料金刚石的选择。

1，国产金刚石由于市场前景优越，国内在近十年间新增大量的金刚石生产厂家。

受到竞争环境的影响，价格也是一直在下滑。

在品质方面，国内的金刚石不同厂家之间相差巨大。

由于生产设备为高温高压炉，并带有温度和操作控制系统，造价极高，一般一台设备成本在60万以上。

国内早先常用的金刚石顶液压机为2缸小空腔，随着技术的普及，现在国内顶尖的厂家也开始采用国际领先的六面顶液压机。

2，进口金刚石进口金刚石对国内的冲击很大，虽然金刚石的价格要高出很多，大概每克拉在0.9元左右。

但是销售情况依然很好，原因就是国产金刚石在品质上还是和国外的先进产品存在差异，比如金钻金刚石钻头使用的就是进口金刚石，保证了金刚石钻头的优质性能。

承压方面，国内的好的品级金刚石也就在10公斤左右，而国外的已经能够达到15公斤了，并且晶型为最好的8面体结构，国产的大量未12面体。

其实不论是国内还是国外，每个生产厂家的生产流程都差不多：都是从原材料（碳粉或碳片、触媒粉或触媒片，叶蜡石）处理、叶腊石和混合原料的压块、组装、烘焙；高温高压合（六面顶或两面顶压机）；粉碎、除碳；酸洗；选型；质检；分类入库。

但是国内生产的关键部件六面顶液压机和国外的比还是有很多不足之处，很难稳定定量的生产。

这都提醒着我们，科学技术才是第一生产力，只有着力提高我们的制造业水平才能改善产品的质量，才能和国际领先水平竞争。

人造金刚石和金刚石薄膜早在20世纪３０年代就已经有了生产人造金刚石的工厂，只是传统工艺所用的原料一直是石墨。

由于石墨的密度大约只有金刚石的２／３，所以完成这个变化需要高温和高压的条件。

遗憾的是，这样做成的人造金刚石虽然和天然金刚石硬度相当，但是透明度和外形都达不到天然金刚石的水平。

２０世纪８０年代，人们发现人造金刚石在半导体制造行业具有广泛的应用前景。

因为计算机芯片的基体材料硅的导热性不好，这成为进一步提高技术时的难题。

而金刚石在导热性方面远远超过硅（甚至超过铜和银），于是它成了芯片基体材料的最佳选择。

正是这种需求推动了人造金刚石的研究。

人们想到，金刚石既然是碳的一种单质，为什么不可以用碳原子作为构建金刚石晶体的原料，而一定要通过破坏石墨的晶体来完成呢？灵巧的化学家很快就完成了这项研究。

透明的、晶莹璀璨的人造金刚石就这样在实验室里诞生了。

虽然还没有能够制造出大颗粒的金刚石晶体（所以大颗粒的天然金刚石仍然价值连城），但是已经制成了金刚石的薄膜。

目前，金刚石用作芯片仍处于研究阶段，但是金刚石膜和金刚石粉已经在其他领域中获得了应用，如激光窗口涂层、高速转动轴承的涂层等。

最有趣的是，当扩音器的纸盒上涂敷金刚石粉后，音质可以大为改善。

我们期待着大颗粒人造金刚石的商品化。

那时，不仅计算机会因此变得更小、更快，而且金刚石也会像２０世纪初的铝一样进入平民百姓家。

薄膜的出现使金石的应用突破了只能作为切削工具的樊篱，使其优异的热、电、声、光性能得以充分发挥。

目前，金刚石薄膜已应用在半导体电子装置、光学声学装置、压力加工和切削加工工具等方面，其发展速度惊人，在高科技领域更加诱人。

自18世纪证实了金刚石是由纯碳组成的以后，就开始了对人造金刚石的研究，只是在20世纪50年代通过高压研究和高压实验技术的进展，才获得真正的成功和迅速的发展。

目前人造金刚石的具体方法多达十几种。

按所用技术的特点可归纳为静压、动压和低压等三种方法。

人造金刚石行业分析报告人造金刚石行业分析报告定义：人造金刚石是利用高温高压技术人造出的一种硬度极高、耐磨性强的材料。

它与天然金刚石具有相同的物理、化学性质，广泛应用于工业、军事、医疗等领域。

分类特点：根据不同生产工艺和用途，人造金刚石可以分为立方晶系、六方晶系、非晶态等多种类型。

立方晶系人造金刚石具有高硬度、良好的耐磨性、热稳定性以及良好的导热性等特点，广泛应用于机械加工、磨具制造等领域；六方晶系人造金刚石硬度和耐磨性比立方晶系更高，适合应用于切石、打磨等领域；非晶态人造金刚石则更适用于医疗、生物工程等领域。

产业链：人造金刚石产业链包括原材料生产、人造金刚石生产、人造金刚石加工、人造金刚石应用等环节。

原材料主要包括金属粉末、石墨等；人造金刚石的生产需要利用高温高压技术，成品可以直接应用于机械加工、磨具制造等领域；人造金刚石加工后可以应用于切割、镶嵌等领域。

发展历程：20世纪50年代，人造金刚石技术开始逐渐发展，主要应用于石油勘探、军事工业等领域；20世纪70年代，人造金刚石技术开始商业化应用，广泛应用于机械加工、磨具制造等领域；21世纪以来，人造金刚石技术不断创新，新型人造金刚石材料不断涌现，应用领域不断扩展。

行业政策文件：2013年《人造金刚石类别管理办法》；2016年《人造宝石实验室监督检查管理办法》；2019年《关于加快产业升级的意见》等。

经济环境：随着国内制造业不断发展，人造金刚石需求量不断增加，市场规模扩大。

2020年，全球人造金刚石市场规模达到104.3亿美元，预计到2027年将达到172.4亿美元。

社会环境：人造金刚石应用领域广泛，可以提高制造业生产效率、质量，也可以应用于医疗、生物工程等领域，使生产、生活更加便捷。

技术环境：人造金刚石技术不断创新，新型人造金刚石材料不断涌现，应用领域不断扩展。

当前，人造金刚石的生产主要采用高温高压合成技术，以及化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等技术。

目前，单晶金刚石、PCD（或PCD/CC）、以及CVD金刚石均成功用作车刀、镗刀、钻头、铰刀、铣刀、成形刀和切齿刀具等切削部分的制作材料。

金刚石材料的品种必须根据所加工材料的性质和加工要求来选择，除满足技术要求外，还应满足经济和环保性能的要求。

PCD和PCD/CC材料PCD和PCD/CC是生产中最常用的金刚石材料，它不仅适用通常机械加工领域，还广泛地应用在汽车、摩托车、高速列车、石油、化工、建筑、木材加工以及航空航天等工业部门。

在汽车和摩托车领域中，PCD和PCD/CC适用于加工发动机铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等耐磨零部件。

而这些零部件大多是含矽量较高（Si>12%）的铝基复合材料，其内高硬度的硬质颗粒（如SiC的硬度高达3000~3500HV）分布在铝合金基体中，犹如砂轮中的磨粒一样会对刀具的切削刃起刮磨和冲击作用，而使切削刃很快磨损。

硬质颗粒的硬度越高、颗粒的尺寸越大、颗粒的数量越多，则刀具磨损越快。

因此，用传统的硬质合金刀具很难进行加工，刀具寿命很低或根本无法使用。

金刚石是世界上已知的最硬物质，实际使用证明，它是加工铝基复合材料的最佳刀具材料。

用PCD金刚石加工铝基复合材料，其切削速度可达800~1000m/min，刀具寿命可比硬质合金高几倍甚至几十倍，加工表面粗糙度值可达Ra0.025~0.012μm。

图2所示为用PCD刀具钻加工20%SiCυ的铝基复合材料螺旋泵壳的应用实例。

用PCD（或PCD/CC）刀具加工碳纤维和玻璃纤维增强塑料（FRP）时，切屑成粉状，切削温度低，且切削长度为K类硬质合金刀具的10倍，而磨损却不到硬质合金刀具的1/3。

PCD（或PCD/CC）刀具也适用于加工预烧後的硬质合金和耐磨的非金属材料，如陶瓷、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨木材等。

PCD刀具的性能主要取决于它的应用场合和所涉及的加工过程，但选择适当的牌号和颗粒尺寸也会对其产生影响。

不同品种的PCD刀片，由于其组成成份不同，切削性能有很大的差异，选用时须加以注意。

人工合成金刚石初步调研报告人造金刚石是用超高压高温或其他人工方法，使非金刚石结构的碳发生相变转化而成的金刚石。

与天然金刚石相比，它具有生产成本低，应用效果好的优点。

由于非金属材料和其他硬脆材料，如大理石、花岗石、耐火材料、玻璃、陶瓷、混凝土等加工工业的发展，对锯片、钻头用金刚石质量的要求越来越高，需求量越来越大，目前世界上工业用金刚石的85% 以上已由人造金刚石代替。

1.我国人造金刚石产业现状1.1人造金刚石在新兴行业领域内的应用有望进一步拓展，随着人造金刚石品级的不断提升，其优良的性能有望在高新技术领域得到更广泛的应用，如可用于航空仪表轴承、雷达波导管、光学器件、高能烟速器等精密仪器的加工；可用于单晶硅、多晶硅0.1-0.2mm厚度片的切割、磨削、卫星太阳能电池板等高效精密加工；可用于计算机芯片等大规模集成电路的微细精密切割、开槽、背面减薄、纳米金刚石抛光等加工；高纯大单晶金刚石也可以制作用于动力压缩试验的高强度光学窗、非常环境中某些装置的窗孔及研究核聚变能源的构件等等。

1.2 我国人造金刚石市场高品级金刚石所占比例较低，附加值提升空间大目前国内超硬材料与制品产值大约在1:3～1:6之间，随着下游超硬材料制品市场规模的不断增长，超硬材料的市场前景十分广阔。

高品级金刚石的市场需求占整个市场的比例大约为60%～70%，按照目前国内技术水平生产的金刚石产品，高品级金刚石所占比例偏低，只有25%～30%左右，与60%的市场需求相对照，缺口为30%～35%。

由于我国金刚石制品的整体技术与质量水平落后于发达国家，用于电子、汽车、家电、数控加工等行业用的高档产品90%以上依赖进口。

1.3 未来金刚石需求增长，价格平稳回升未来几年我国人造金刚石的市场需求量仍可以保持在年均复合增长15%以上。

根据行河南球磨机业协会统计数据，2001年-2009年国内人造金刚石产销量由16亿克拉增长到54亿克拉，年均复合增长16.4%左右。

地球中珍贵的金刚石今年，我参观了**大学地质博物馆和**大学地质博物馆，博物馆里介绍了地球、植物、动物、矿石等知识，其中陈列的矿石颜色多彩、形状多样，非常漂亮。

我看到一个闪亮亮的透明矿石—金刚石，这是一个超级酷的矿石，下面我详细科普一下金刚石知识。

金刚石是个很神奇的矿石，它是由碳原子组成的，组成和我们平常用的铅笔芯是一样的。

金刚石是在地球深处，在高温高压的魔法变化下，逐渐变成坚硬无比的。

试想一下，我们把石墨粉放在一个神奇的机器里，它也能变成价值连城的钻石。

金刚石种类非常多。

按结构可以分立方结构和六方结构两种。

按形态可以分为圆粒金刚石、磁性圆粒金刚石、雹子状金刚石、硬圆粒金刚石和高硬圆粒金刚石等。

按用途可以分为树脂结合剂用和金属结合剂用两种。

按来源可以分为天然金刚石和人造金刚石。

天然金刚石是在自然界中形成的，而人造金刚石是通过人工方法合成的。

金刚石（加工后）金刚石（加工前）金刚石是地球上最硬的物质。

它的硬度是石英的1000倍，刚玉的150倍，所以金刚石可以切割其它物质。

另外，金刚石是无色透明的，如果混入杂质，就会呈现黄、蓝、绿、黑等各种颜色。

金刚石一般为八面体或菱形十二面体，有时也会形成聚形，美的让人惊叹。

金刚石的用途很广泛，可以用于切割、打磨及抛光等。

在建筑方面，金刚石是不可或缺的好帮手，一般用于切割石材、钻孔等。

在矿山、油田方面，金刚石用于钻头，是钻井的好材料。

陕北地区煤炭和石油较多，钻井用到大量的金刚石钻头，据资料介绍，我国金刚石钻头主要依靠进口。

日常生活中，我们看到的钻石也是金刚石的一种，是金刚石加工形成的宝石，非常的昂贵和漂亮。

金刚石钻头我国金刚石资源比较少，排名全球第十位，位于俄罗斯、非洲、澳大利亚和加拿大等国家之后。

我国辽宁、山东、湖南和江苏是金刚石主要分布地，山东临沂市是“中国金刚石之都”。

俄罗斯是金刚石资源最多的国家，约占全球50%，我国也从俄罗斯进口金刚石。

金刚石是地球馈赠给我们的礼物，我们要热爱地球，珍惜矿石。