钻石电子工业应用 苑博士讲钻石:CVD培育钻石的工业用途

小编 2025-03-15 电子应用 23 0

苑博士讲钻石:CVD培育钻石的工业用途

人类一直希望将培育钻石用在各种工业用途。到现在为止只是利用HPHT生长出的小颗粒金刚石磨料的硬度,作为超硬材料,做成各种磨具,用在研磨抛光。但是在声光化电热这些方面,需要大面积的单晶钻石片状的材料 ,还在研发中,没有真正使用上。

最早是几十年前用CVD方式生长成多晶金刚石片或金刚石膜,因为表面是粗糙的多晶结构,抛光困难,所以一直未能大量应用。大约在2000年以后,用新的方式开始生长单晶钻石,单晶CVD培育钻石是在扁平片状晶种片向上生长,可以做较大面积,但是它的成本太高,无法大量生产 ,以足够低的价位在民间工业界应用。所以到目前为止还没有真正大量使用。

▲ 单晶金刚石拼接晶圆

我们在研究的方向:

含硼CVD多晶膜、片用作水处理的电极 ,作为净水处理,消除水中有机生物、重金属,贵金属尾矿提纯,海水淡化、提炼海水中有价值金属,将水分解成氢和氧,增加电压可分解出多量的氘、氚,可作为核融合的原料。金刚石均热板,在大功率芯片、电子器件散热 有极大需求,但现在价格太高,只有军工产品才有少量需求,必须将价格降低到现在价格的1/10,民间产品才用得起。金刚石LED超短波PN结发光,金刚石晶圆上生长金刚石正、负极半导体,产生215nm之LED发光,用作超高功率LED发光、制作杀菌工具、超强激光用于切割工具、远距离击杀武器,制作半导体工业 最关键的光刻机光源。金刚石晶圆拼接方式制作CVD大面积单晶晶圆,作为LED、半导体芯片衬底 ,可完全解决散热问题及利用金刚石的多项超级优秀的物理化学性能,将使人类半导体业迈入终极第四代晶圆材料,解决人类运用硅晶圆已达极限的困扰。

CVD钻石在工业上的民间用途,在这几年内将逐渐开发成熟,需求量将为首饰钻石十~百倍的份额 。培育钻石,尤其是CVD培育钻石,现在是一个正在成熟中的朝阳企业,未来在首饰钻石及工业的散热、半导体、高端电子、汽车自动驾驶、量子计算机、高端激光 …均有极大的发展空间,会是一个新纪元的开始,将持续百年以上。

作者简介

苑执中 ,中山大学钻石博士,河南国钻新材料科技有限公司 董事长,从事钻石加工、鉴定、研究及教学超过四十四年。现从事首饰钻石加工、高温高压、化学气相沉积(CVD)单晶、多晶钻石生长及应用的研究、生产。于纽约、台北、郑州设有鉴定所及钻石切磨、生长工厂。

- 美国GIA研究宝石学家 G.G.- 英国宝石学协会 GEM-A 之 D.G.A. 钻石会员及教师资格- 世界各国钻石新式样及发明专利数十件- 2009年成为全世界最高层级的宝石学会议 IGC(International Gemmology Conference)正式会员- 于世界各国发表中英文专题报告数百次,于世界各国专业刊物发表中英文论文数十篇- 著作:Diamond Researching (1999,美国纽约出版)

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又是一项颠覆性的技术,金刚石这么硬都能3D打印了?太神奇了

如果有这样一个盒子,它可以复制你看到的任何东西,包括它自己,还能将你幻想中的所有东西变成实物,你会怀疑吗,这不是魔术也不是童话,这就是3D打印机。

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超级英雄,卡通公仔,古圣先贤这些像真度高,造型精致的模型都能3D打印出来,3D打印技术早已经被形容为第三次工业革命,将颠覆传统的制造业,3D打印出来的物品一次次的让人们惊讶,让全世界都为之振奋,这不最近又称能用3D打印机打印出金刚石材料。

金刚石材料现在也可以打印了,金刚石可是世界上最坚硬的物质之一啊,它是工业上各种耐磨工具的关键部件,由于其加工难度大,很难加工成复杂的形状,如果能够打印出这种复杂的金刚石材料,就可以将这种超硬材料打印出各种复杂的形状,应用范围将更加广阔。

技术的发展又一次超乎我们的想象,这还有可能会改变整个珠宝行业,也许以后的钻石就没那么贵了。

据报道Sandvik(山特维克) 这家公司推出了,可以3D打印出金刚石的复合材料,利用该材料打印出来的金刚石,具有金刚石该有的物理特性,利用这种材料可以根据要求打印出许多定制形状,未来可能将在航空航天,汽车,电子等行业中使用这种材料。

金刚石也就是我们所说的钻石的原身,是一种由碳元素组成的矿物,与铅笔芯的主要成分石墨一样,都由碳原子组成,但结构的差异让石墨在莫氏硬度等级中排列最低,而金刚石是最高的,造成这么大的差距就是在形成过程中压力和温度不同。

金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质之一,由于其硬度很高,经常被用于制作各种工艺品和工业中的切割工具。

随着科学技术的发展,以前要几十亿年才形成的天然金刚石,现在用机械制造只需要几天时间就能造出人造金刚石,只要用机器创造出相应的温度和压力条件就能合成出金刚石,现在中国生产的工业级合成金刚石年产量占世界份额的90%以上。

3D打印技术经过多年的发展,我们见到过或者已经在使用它打印出来的各种工艺品,日常用品,建材等,现在各行各业中都有它的身影,也在慢慢改变一些传统行业,改变我们的生活。

这项一次次让人们惊叹的技术,其实已经有了上百年的发展历程,如何将一个虚拟的物体快速变成实物,早在一百多年前的美国,就有人产生了这种想法,他们开始研究照相雕塑技术,渴望能像照相洗印一样简单的获得一个立体的实物,虽然这一想法在当时并没有得到实现,但这已经成为3D打印技术发展的开始。

上世纪八十年代,随着二维打印和电脑辅助设计CAD技术的成熟,让3D打印成形成为了可能;1984年美国人利用光敏液态树脂在紫外线照射下固化的方式,制造出了第一个实物,第一台3D打印机由此诞生。

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就如同做米饭需要大米一样,3D打印也需要最主要的元素那就是材料,用来打印的材质按形态可以分为固体,粉末,液体,还可以分为塑料,金属等不同材质。

3D打印材料一般分为两类

一类是比较常用的材料主要有ABS,PLA,PETG,HIPS,这些塑料类材料的熔点低,它们在外观上的区别不是特别大,但在材料的功能上区别却很大。

这一类材料打印成形的方式叫熔丝沉积,它是将丝状热熔性材料加热熔化,通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来,按照电脑的指令喷挤在制作面板上,经过低温固化层层堆积,最终打印出成品。

另一类是金属类材料,它们在某些方面的特性就特别明显,金属类材料打印成型给它的材料限定了极高的门槛,粉末材料必须达到微米级别,而且还要经过混合搭配保证它的强度,精度和粘合度等各方面性能,

一些金属类已经可以使用3D打印了,如钛合金,不锈钢等,都是通过粉末材料打印,具有熔化烧结粘合的特性,打印物品时由上方的激光头发射出高温的激光束,进行选择性的烧结,粉末迅速熔化粘合成形,工作台下降铺粉打印直至完成。

能够打印出金刚石材料的工艺,也应该是利用金刚石粉和聚合物材料的浆料,在紫外线照射下逐层堆积成形的,但是打印出来的金刚石还是与天然的金刚石有差别,例如说光泽上就没有天然金刚石的光泽,所以也就限制了在珠宝行业的使用,看来要想钻石降价还要再等了。

随着人们对个性化需求的增加和材料技术的发展,将来每个人都能使用上,通过3D打印技术打印出来的房屋,衣服,食物等物品,3D打印技术究竟将给人类带来一个怎么样的未来嘞?不知道下一次它又能打印出什么让我们惊叹的物体来。

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