广东建材2010年第4期
的使用寿命以及雨天行车的安全性，因此，高速公路的
路表面排水设计应得到十分重视。设计人员必须充分考
虑路面排水系统的功能需要，对一些设计因素进行认真
的分析与计算，使高速公路路面排水设计达到经济、合
理、高效、美观的目的。●【参考文献】
［１］吴华金，陈加洪，赵志武．高速公路坡面排水意见和建议［Ｊ］．云南交通科技，２００３，１９（２）：３７－４０．［２］中华人民共和国交行业标准．公路排水设计规范（ＪＴＪ０１８－９７）．［３］吴华金，陈加洪，房锐．山区高速公路边沟断面形式选择与研究［Ｊ］．云南交通科技，２００３，１９（２）：３２－３６．图1碳的P-T相图1引言
由于金刚石的诸多优异特性，它已被广泛地应用于
工业、科技、国防、医疗卫生等领域［１］。我国天然金刚石
资源匮乏，自１９６３年中国首次合成金刚石以来，经过业
界人士４０多年的共同努力，中国金刚石的生产规模得
到了空前的发展，生产技术水平也有了很大提高。中国
已经成为世界上首屈一指的人造金刚石生产大国，但是
中国并非金刚石生产强国。目前国内众多金刚石生产厂
家侧重于生产金刚石粉料，金刚砂等。随着金刚石使用
规模的扩大，大单晶金刚石的生产已经非常迫切。本文
将介绍当前国内外大单晶金刚石的合成技术及应用研
究现状。
2金刚石合成技术
金刚石的人工合成研究，实际上是从探索天然金刚
石的成分开始的。１７９７年，ＳｍｉｔｈｓｏｎＴｅｎｎａｎｔ证明金
刚石是碳的一种结晶形态［２］。从此，人类开始了对人工
合成金刚石的探索。２０世纪４０年代，ＰｅｒｃｙＢｒｉｄｇｍａｎ
设计了许多优秀的高压设备（有的压力超过了５ＧＰａ），
并指出可以用电加热结合高压来合成高质量金刚石。虽
然因为没有使用触媒导致未能合成金刚石，但是他的热力学计算为高温高压合成金刚石提供了理论依据。１９５４
年，Ｂｕｎｄｙ等人以镍做触媒，使用液压两面顶压机，经过
三年多研究，成功的合成出了人造金刚石单晶，并制定
了碳的Ｐ－Ｔ相图［３］，从此开创了人工合成金刚石的新纪
元。
图１为Ｂｕｎｄｙ等人制定的碳的Ｐ－Ｔ相图［４］～［７］，根据
相图存在石墨和金刚石两相，其中石墨是低压稳定相，
金刚石是高压稳定相。由石墨直接向金刚石转变所需要人造大单晶金刚石合成技术
及应用研究现状
王东胜王志勇董耀华
（上海海事大学海洋材料科学与工程研究院）
摘要：随着近几年人造金刚石技术研究的再次发展，大单晶金刚石合成技术成为相关研究者新的研究方向。本文结合当前人造金刚石合成现状，详细介绍了金刚石的合成技术发展，各大研究机构的研究进度，生产设备及合成方法。大单晶金刚石的应用情况等。关键词：人造金刚石；大单晶合成；ＨＰＨＴ；ＣＶＤ；金刚石应用
------------------------------------------------研究与探讨
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的压力和温度条件都很高，一般需要１０ＧＰａ、３０００℃以
上的压力和温度。如果在有金属触媒的参与下（如Ｆｅ、
Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等以及它们的合金），石墨相变为金刚石所需
要的条件将大大降低。
由图１可以看出，用金属Ｎｉ为触媒，在压力～
５．４ＧＰａ和温度～１４００℃条件下石墨就能转化为金刚
石。同时图７显示了合成金刚石通常所用的两种方法：
膜生长法和温度差法。工业金刚石生长采用膜生长法，
宝石级金刚石的生长采用温度差法。
宝石级金刚石合成有两条途径，高温高压（ＨＰＨＴ）法
和化学气相沉积（ＣＶＤ）法，下面分别介绍这两种方法目
前所达到的水平。2.1高温高压法
高温高压法的确切含义是指温度梯度法，国内也称
温度差法，以下简称ＨＰＨＴ法。该法１９６７年由ＧＥ公司研
究小组首提出，１９７１年该研究小组合成出５ｍｍ（约１克
拉）黄色单晶金刚石（Ｉｂ型），良质晶体生长速度限界
２．５ｍｇ／ｈ，随后，又开发了无色（Ⅱａ型）和蓝色（Ⅱｂ型）
大单晶金刚石的生长技术。由于所使用设备庞大和晶体
生长再现性不好而导致合成成本过高，没有能够形成产
业化。尽管如此，该小组的温度梯度法合成技术、除氮技
术和掺硼技术至今仍然是宝石级大单晶金刚石高温高
压合成的三大核心技术。
高温高压法生产金刚石目前主要有两种方法，一种
是通过六面顶的方式完成石墨到金刚石的转换，另外一
种为９０年代初由前苏联科学家ＢｏｒｉｓＦｅｉｇｅｌｓｏｎ等人
开发的两段式分球压机设备（俄文简称ＢＡＲＳ）。
住友电工在ＨＰＨＴ法大单晶金刚石合成技术上达到
了目前世界最高水准。首先将晶体生长速度大幅提高。
利用大晶种等技术将黄色大单晶金刚石的生长速度由
通常２～２．５ｍｇ／ｈ提高到１２～１５ｍｇ／ｈ；通过优化触媒成
分和提高温度压力控制精度等，将无色大单晶的生长速
度由通常１～１．５ｍｇ／ｈ提高到６～７ｍｇ／ｈ，优质Ⅱａ型单
晶最大达到１０ｍｍ（直径）；同时金刚石结晶性大幅改善。
他们合成的Ⅱａ型金刚石杂质低于０．１×１０－６，晶体缺陷
明显低于天然金刚石。目前住友电工掌握了７～８ｍｍ以
下黄色大单晶的批量生产技术，其中５ｍｍ以下黄色大单
晶的生产技术相对更成熟。
ＤｅＢｅｅｒｓ也开发了ＨＰＨＴ法合成大单晶金刚石技
术，根据大单晶产品判断，其Ｉｂ型大单晶合成技术与住
友不相上下。ＮｏｖａｔｅＫ公司进行大单晶金刚石的合成及性能优
化研究，目前已经能够成功的对人造金刚石进行变色处
理，能将人造金刚石合成为粉红色或蓝色等。图２为其
处理设备。
Ｇｅｍｅｓｉｓ公司专门合成大单晶金刚石，其合成水
平、温度和压力控制精度达到了批量合成宝石级大单晶
金刚石的要求，见图３。２００１年这种压机成功地合成出
黄色大单晶。２００３年Ｇｅｍｅｓｉｓ公司首次将经切割打磨
过的黄色金刚石推向市场（见图３），目前该公司的人造
金刚石饰品已经广泛上市。
德国的Ｗｉｎｔｅｒ公司早年主要从事金刚石工具的制
造，为了把人造金刚石和金刚石工具连成一个完整的系
列产品，１９７４年在德国政府及北大西洋公约组织的资
助下开始研制人造金刚石生产技术，并且后来居上，其
独特的工艺及设备使其生产的金刚石在品质方面优于
其他两大公司，如成品杂质含量为２‰（应该是‰）～
３‰，单次产量可达８００克拉，具世界领先水平。
目前，世界上生产采用ＨＰＨＴ方法合成人造金刚石
的国家主要有：美国、南非、爱尔兰、瑞典、英国、德国、俄
罗斯、乌克兰、亚美尼亚、日本、中国、罗马尼亚、波兰、捷
克、朝鲜、希蜡和印度等近２０个国家。以上国家主要以
生产金刚石粉为主，对于大颗粒金刚石的生产处于小批
量生产和研究阶段。世界人造金刚石的产量为３０亿克
拉，其中年产量在１亿克拉以上的国家有中国、英国、俄
罗斯等。据统计，２００３年我国人造金刚石的年产量约为
２５．３亿克拉（约５０６吨），比２００２年产量增长了
２６．５％。２００６年我国人造
金刚石的年产量达到５０亿
克拉（１０００吨）以上［８］。设备
主要采用具有自主知识产
权的国产六面顶压机，压机
缸径已到７５０ｍｍ，见图４，比
较大的金刚石生产厂家有图4国产六面顶压机图图2NovateK金刚石合成设备图3Gemesis公司金刚石合成设备研究与探讨
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黄河旋风，中南金刚石等公司。2.2CVD法
２０世纪５０年代末，用简单热分解化学气相沉积法
（ＣＶＤ）合成金刚石分别在前苏联科学院物理化学研究所
和美国联合碳化物公司获得成功。２０世纪８０年代初，
日本国立无机材料研究所完善了前人的研究方法，发展
了热丝化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积等多
种低压化学气相沉积法，在硅、玻璃和各种金属等非金
刚石基底表面上生长出了品质优良的多晶金刚石薄膜［９］，
从而使低压气相生长金刚石薄膜技术取得了突破性的
进展，在全世界掀起了ＣＶＤ方法合成金刚石薄膜的研究
热潮，并推动了金刚石在电子学领域的应用［１０］［１１］。到目
前为止，人们已经可以用多种不同ＣＶＤ方法低压合成金
刚石，如热丝法、直流毫弧等离子体法、射频等离子体
法、微波等离子体法、燃烧火焰法、化学输运反应法、激
光激发法等。
美国阿波罗金刚石公司（ＡｐｏｌｌｏＤｉａｍｏｎｄ，以下简
称阿波罗）１９９６年一发现了ＣＶＤ法合成无色单晶金刚
石的条件，于１９９９年申请并于２００３年获得美国专利。
２００３年阿波罗生长出边长１０ｍｍ见方的无色单晶金刚
石晶片并开始在市场销售由晶片切割抛光而成的首饰
用金刚石。２００５年阿波罗能够生长出约２克拉的单晶
金刚石，生长速度达到每周５克拉，经切割打磨后成为
首饰用金刚石，单颗重量达到０．２５～１克拉。
美国卡内基地质物理实验室于１９９８年开始ＣＶＤ单
晶金刚石合成技术的开发。２００４年生长出对角长ｌ０ｍｍ，
厚４．５ｍｍ的单晶金刚石，生长速度１００μｍ／ｈ，最高速度
达到３００μｍ／ｈ。所得到的单晶呈褐色，经高温高压处理
后无色。２００５年生长出１０克拉的透明单晶金刚石（图
２），并且能直接生长近无色、蓝色和黄色大单晶，无需高
温高压处理。卡内基地质物理实验室于２００２年申请并
于２００５年获得美国专利。
元素６（ＥｌｅｍｅｎｔＳｉｘ）公司于２００２年用ＣＶＤ方法
生长出单晶金刚石，２００４年合成出５ｍｍ见方的单晶金
刚石晶片。并能够生产边长４．５ｍｍ的无色单晶金刚石晶
片，晶片的主长方面为（１１０）面，根据晶体的尺寸、颜色
和净度我们可以判断在ＣＶＤ单晶合成方面他们已经达
到很高的水准。
目前，微波法气相沉积技术（ＭＰＣＶＤ）最为成熟，但是
微波法生成技术要求高，对操作者的技能要求比较苛
刻。目前，微波法生成金刚石的微波源功率最高已达到１００ＫＷ，并由日本和德国生产。图５为德国的椭球式微波
等离子ＣＶＤ设备。图６为日本精工生产的７５ＫＷ微波等
离子体ＣＶＤ设备［１２］。
与ＨＰＨＴ法相比，ＣＶＤ法的主要优点在于：①金刚石
纯度高。在ＨＰＨＴ法中，金刚石在熔融的触媒里面生长，
构成触媒的金属原子或多或少会进入金刚石晶格。而在
ＣＶＤ法中，只要使用高纯度气体，原则上就能够生长高
纯度金刚石。②生长大型单晶金刚石成为可能。ＣＶＤ装
置属于一种真空设备，大型化不存在困难。目前用ＣＶＤ
法来生长大单晶需要使用大单晶晶片做晶种，晶种有多
大就能生长多大的大单晶。但卡内基地质物理实验室已
经能够让金刚石方晶在６个１００面上同时生长，所以晶
种尺寸并不构成合成大型单晶金刚石的实质性障碍。设
备的大型化，不但可能使单晶金刚石的尺寸得到扩大，
而且也可以实现一次生长多颗单晶，使生产成本大幅度
降低。在ＨＰＨＴ法中，要扩大高温高压腔体就要制造更大
的压机，这就意味着要付出巨大的代价。
3金刚石的用途
金刚石的应用范围十分广阔。由于集众多优异性能
于一身，金刚石的每一类应用其实都是发挥它的一种主
要性能再辅之以其它一种或几种性能，现简要介绍如
下：3.1切削材料
金刚石作为一种切削材料主要是利用它的超硬特
性，以及它所兼备的高热传导率、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。
精密或超精密车刀是大单晶金刚石作为切削材料
的一种成功应用。单晶金刚石内部无晶界，刀具刃口理
论上可以加工出原子级的平直度和锋利度，通过刀具的
超光洁表面和无缺陷副切削刃的作用，使加工的表面粗
糙度理论值接近于零来获得镜面加工效果。如图７所
示，大单晶金刚石车刀配合高精密车床已经实现最低加
工表面粗糙度Ｒａ０．０２微米的镜面加工。单晶金刚石车图5德国微波CVD设备图6日本75KW微波等离子体CVD设备研究与探讨
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