助理 工程师人。 第章技术可行性分析 国内外发展现状 纳米聚晶金刚石是人造金刚石的种，由大量纳米金刚石聚集而成， 按照纳米聚晶金刚石的结构特点，目前国内外有两种途径制备纳米聚晶 金刚石。条是利用静压法或者爆轰法生产纳米金刚石，然后通过高压 和粘合剂作用下聚合生成聚晶金刚石，这是目前国内常用生产方法另 种是利用爆炸法激波法直接生成聚晶金刚石，这是目前国外采用 生产方法，国内只有少部分企业掌握该技术。 爆轰聚合法 用爆轰法合成纳米金刚石微粉，年代始于前苏联科学院有关研究 所。其原理是利用炸药爆炸时的负氧反应，其中未氧化的碳原 子凝聚成碳液滴，在爆轰反应的高温高压下转变成颗粒为纳米尺度的金 刚石微粉。该技术为俄罗斯专利。中国科学院兰州化学物理研究所四 川绵阳西南流体物理研究所以及北京理工大学等单位于年代在该专 利技术基础上开展了进步研究。纳米金刚石微粉可用于复合镀以提高 表面抗磨性能，降低摩擦系数，提高工效，延长工件寿命。也可用作掺 加剂提高橡胶树脂，乃至机场跑道的综合性能以及催化剂载体。非业 内人士常将爆轰法合成纳米单晶金刚石与爆炸法合成纳米聚晶金刚 石二者混淆。由于前者粒度太小仅在纳米范围，所以目前在 半导体材料切割和精加工领域尚无法应用，因此不构成对激波合成纳米 聚晶金刚石的竞争。 年代，在爆轰法合成纳米金刚石微粉的技术中出现些新专利， 其原理是不用，而是在或中混入重量比约的石墨， 其合成的金刚石聚集体的粒度约，大于上述的纳米金刚石。 但由于掺入石墨使爆压降低，因而每公斤药量的金刚石产率低于原来的 方法。由于其爆轰的作用时间仅为毫微秒量级，远低于激波合成纳米聚晶金刚石的作用时间微秒量级，其晶核之间缺乏 必要的相互成键的时间，因此其颗粒强度又低于激波法合成的纳米聚晶 金刚石。这种金刚石聚集体，在磨削过程中易于破碎成为纳米晶粒，加 工的效率低，性能缺乏优势，现未见规模化生产报道。 激波法 年，美国率先用激波法合成出聚晶金刚石微粉，随后 公司等取得了系列专利。年代公司采用环状飞片法生产时， 每次炸药重约吨，每公斤炸药产出克拉金刚石。其产品 纳米聚晶金刚石粉是国际驰名品牌。售价美元克拉，其中粒度为 的售价高达美元克拉。日本住友公司也采用的专利 生产。上述两家的年产量各为万克拉左右。用这种方法生产的金 刚石呈砾石状，需要通过球磨或气流磨做浑圆化处理。 从世纪年代初开始，中科院力学研究所开展了长达年的爆 炸合成金刚石的研究，掌握了以石墨为原料，在激波产生的超高压 万大气压高温约度下，合成纳米聚晶金刚石微 粉的技术。该技术由于击波作用的时间极其短暂，相变以瞬时大量形成 纳米尺度的晶核为主，晶核生长对于新相形成的贡献为辅。数以万计的 纳米晶通过不饱和键结合成亚微米或微米尺寸的聚晶晶粒。为此中科院 于年创建了中国笫家规模化生产的爆炸合成金刚石厂。每公斤 炸药金刚石产量约克拉，年生产能力为万克拉，产品为 型聚晶金刚石微粉，自然呈固团球状，不需整形工序。 存在的主要问题 目前国际上生产纳米聚晶金刚石的技术路线主要依照公司 的专利。存在的主要问题为炸药用量大操作笨重在般野外场地 难于实现。建厂投资大，生产周期长产率低。产品需要经过破碎和整 形才能达到超精细加工需要的粒度和形貌。产品成本高，价格昂贵。本项目技术的创新性 本项目技术是中科院专家在年建立金刚石厂产业化基础上，对激 波合成金刚石的爆炸力学和相变动力学过程做了大量深入理论分析数 值计算和实验工作，并借助计算机筛选实验参数，将每公斤炸药的产量 提高到克拉，大大提高了纳米聚晶金刚石的生产效率和生产成本， 解决了公司的专利所出现的众多问题。 本项目技术从以下几个方面进行了改进和创新 年以来，中国科学院专家对爆炸力学和相变动力学全过程 做了深入的理论分析，编制了专门的计算软件，通过大量计算和野外实 验筛选出了工艺参数的最佳组合，对技术方案和工艺流程做了重大改进 和更新。 目前军用高能炸药的爆压不足以使石墨相变，所以需通过增压技 术产生左右的压力，才能使占石墨总量的型石墨 相变。欲使型石墨相变，通常用掺金属粉办法提高压力。在 公司的专利中金属粉甚至掺到试样总重的，能转变金刚石的石 墨只剩了。即使型石墨参与了相变，每公斤炸药产出也不 足克拉。高达以上的金属需用化学方法除去，不仅增加了成本 也带来环保的沉重压力。本项目的增压装臵，可在少掺或不掺金属粉情 况下也可使型石墨相变，使每公斤炸药产出克拉以上，从而大 大降低了成本。 本项目的爆炸装臵操作方便安全。爆炸场地建设投资少。爆 炸工序周期短，可以连续作业，为规模化生产创造了条件。 用公司方法生产的纳米聚晶金刚石为砾石状，粒度在微 米量级，用于超精细加工时需经过破碎和整形两道工序才能使用见图 和表。本项目生产的金刚石微粉自然呈类球状见图，能胜任最 苛刻的硅纳米金刚石进行抛光，但抛光后仍有深划痕无法去 除中科院有关研究所是直接使用人造单晶金刚石微粉研磨，粒径由大 到小，最小粒径为。以上两种加工方法，每道工序的研磨时间均 以小时计，研磨后的平整度与要求相比均有相当大距离。他们共同存在 的主要问题可概括为 研磨效率低，加工时间之长难以实现产业化。 平整度达不到要求。 金属磨盘严重磨损需频繁返修，不仅影响效率也影响加工精度。 究其原因，对于前种方法，这是由于碳化硅的努氏硬度为， 而磨料碳化硼的努氏硬度为。磨料硬度仅略高于被磨工件， 效果当然不好。而且，最后采用的纳米金刚石，其粒度小于或接近工件 表面划痕尺度，造成磨粒在划痕或缺陷中阻滞和聚集并在其中滚动和磨 削，反而会使原有划痕或缺陷扩大。根据磨削理论，研磨液中磨粒尺度 般应比被磨削工件上的划痕或缺陷尺度大个量级。因此，纳米金刚 石微粉至少在现阶段不宜用作磨料。在后种方法中，虽然单晶金刚石 硬度很高努氏硬度为，但它不能自动产生新的锋利刃口， 磨削效率般仅为纳米聚晶金刚石的，并且造成严重的损伤层。 本项目也可与上述有关单位合作解决碳化硅抛光片的上述问题。 巨磁阻磁头加工方面 随着硬盘存储密度的提高，单碟容量已经达到以上。磁头和 硬盘之间的飞扬高度也由纳米降到纳米。巨磁阻磁头的截面积为 。其中心层为软磁合金，两侧用厚度为几纳米的黄金作导线， 外层依次为钽和蓝宝石层。在其多层三明治结构中，各层材料的硬度 悬殊，平整度要求达到，甚至小于。这种由多层硬度迥异材料构成的元件，要求达到如此高的平整度，其超精细加工的难度是当 今最高的。我国东莞日资企业生产的巨磁阻磁头占全球产量的 。目前该公司采用美国公司用国际市场上的纳米聚晶金刚石 制成的研磨液加工磁头，平整度可达到。但该研磨液价格昂贵， 年消耗万元人民币。为降低成本以及进步将磁头端面平整度提 高到小于，该公司曾采用国产纳米金刚石和类球状纳米聚晶金刚石 进行了次对比试验，结果发现前者在软质区黄金出现深达 的沟槽。造成这种情况是因为纳米尺度的磨粒在软质区阻滞聚集并在 其中滚动的结果。而采用类球状纳米聚晶金刚石加工的表面平整度基本 达到了的要求。该公司有关专家认为，如能在巨磁阻磁头超精 细加工方面取得突破，纳米聚晶金刚石在整个产业的应用就水到渠 成了。 切削加工方面 进入新世纪以来，大力发展高效制造技术及装备已成为世界各国的 战略决策。切削加工为制造技术的主要基础工艺近年来也取得了快速的 发展，相继出现了高速切削精密切削硬切削干切削绿色切削等 先进切削工艺，作为核心之的金刚石刀具及其切削技术尤其得到推 崇。金刚石切削刀具以其高硬度高耐磨性高传热而成为理想的切削 刀具，具有高精高效长寿低耗等优点，特别适于有色金属材料高 速精密和自动化加工，能以车以铣代磨，目前已在汽车航天航空 精密机械家电木材等行业得到广泛应用。例如，用聚晶金刚石刀具 精镗硅铝合金材料汽车活塞销孔，耐用度达万件以上，是原硬质合金 刀具的倍，加工工件表面粗糙度下降，同时减少了换刀辅助时 间，降低了加工成本。 作为种性能优异的玻璃切割刀具，聚晶金刚石制成的刀轮主要用 于电子行业液晶玻璃的高精度高品质的切割，同时可以切割建筑用， 以及汽车用玻璃，是普通玻璃刀和硬质合金玻璃刀轮的理想替代品。芯 棒与刀轮均为聚晶金刚石材料，具有加工精度高耐磨损致性好等 优点。木材加工业是聚晶金刚石刀具应用的重要领域。日前得到广泛应用 的人造板材已同传统木材有了明显的差异。人工合成的板材在种意义 上是合成树脂的概念，其加工过程也同传统意义上的木材不同。人造板 材的飞速发展，特别是中密度纤维板胶合板刨花板及复合地板等人 造板材的发展，更加速了其对超硬刀具的需求，从而使金刚石刀具将逐 步替代传统木工刀具。强化复合地板自上个世纪年代引入我国以来， 以其耐磨性防水防潮性抗腐蚀性安装方便等优点，受到用户的欢 迎。但其结构的特殊性决定了加工过程对刀具特殊性的要求。其最外层 的对硬顶合金刀具的磨损影响很大，利用聚晶金刚石刀具能有效 地解决这个技术难题。 副产品纳米单晶金刚石的应用 生产纳米聚晶金刚石的同时会产生等量的纳米单晶金刚石，纳米单 晶金刚石具有颗粒小而且比表面积很大的独特性值，具有特殊的机械 光电热磁性能，渴望在机械电子化工医疗等领域中得到广泛 的应用，同样拥有较高的经济价值。 作为复合镀层添加物 复合电镀是种提高镀层硬度和耐磨性能的方法。用电镀或电刷镀 制法制成