科學(xué)網(wǎng)7月18日消息，以金剛石為代表的超硬材料及制品被譽(yù)為“最硬最鋒利的工業(yè)牙齒”。航空航天、國(guó)防軍工以及光伏與電子信息等領(lǐng)域里的各種高難材料加工難題，在它面前都迎刃而解。
而在科學(xué)家的眼中，單晶金剛石不光是“工業(yè)牙齒”，還是“終極半導(dǎo)體”。在7月17日召開的中國(guó)超硬材料行業(yè)發(fā)展專題研討會(huì)上，有專家甚至表示，“沒有金剛石就沒有信息產(chǎn)業(yè)”。
作為一種新材料，超硬材料引領(lǐng)著我國(guó)高端制造業(yè)的發(fā)展。
      截至2017年底，我國(guó)人造金剛石產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量的90%以上，立方氮化硼產(chǎn)量已占世界總量的70%以上，我國(guó)已成為名副其實(shí)的超硬材料生產(chǎn)制造大國(guó)。

      而這又與我國(guó)自主研發(fā)的大型設(shè)備，以及北京門頭溝無可替代的高品質(zhì)葉臘石礦息息相關(guān)。

     網(wǎng)易新聞“了不起的中國(guó)制造”圖（下同）

    有望引發(fā)新一代半導(dǎo)體技術(shù)革命

    在國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會(huì)主任、中國(guó)工程院原副院長(zhǎng)干勇看來，超硬材料是新材料領(lǐng)域的一個(gè)重要而獨(dú)特的板塊，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有廣泛的應(yīng)用。

    “工業(yè)牙齒”名不虛傳。以金剛石車刀為例，其刃口圓弧半徑可以刃磨到連掃描電子顯微鏡也無法檢測(cè)，利用它來切削加工，往往可以直接獲得鏡面。

    “利用金剛石超硬的力學(xué)性能，可加工世界上所有的已知材料。”中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)超硬材料分會(huì)高級(jí)顧問李志宏告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，“利用其無與倫比的熱光聲電性能，可用于航天員宇宙射線防護(hù)、尖端武器裝備隱身防腐、提高導(dǎo)彈飛行速度與打擊精度、大功率激光探測(cè)，可用作大規(guī)模集成電路及LED新光源熱沉等尖端領(lǐng)域?！?

    有的手機(jī)一打就發(fā)熱，溫度一高就不工作，原因是它的半導(dǎo)體元器件不耐高溫。集電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)和熱學(xué)等優(yōu)異特性于一體的單晶金剛石將解決這一問題。

    金剛石電子器件相比其他半導(dǎo)體器件具有體積小、集成度高和無需制冷的優(yōu)勢(shì)。北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張濤相信，金剛石將引發(fā)新一代半導(dǎo)體技術(shù)的革命。

    “默默無聞”的最前沿材料

    “超硬材料是石油勘探與礦山開采、機(jī)床機(jī)械與汽車制造、軌道交通、核電、國(guó)防軍工與航空航天重大工程以及光伏與電子信息等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中不可或缺的高功能材料。”干勇說。

    不過，除了業(yè)內(nèi)人士，這些并不為人們所了解。張濤打趣道：“最前沿的材料也是"默默無聞"的材料?！?

    截至2017年底，我國(guó)人造金剛石產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量的90%以上，立方氮化硼產(chǎn)量已占世界總量的70%以上，我國(guó)已成為名副其實(shí)的超硬材料生產(chǎn)制造大國(guó)。

    盡管總體上目前我國(guó)超硬材料的產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)已達(dá)世界先進(jìn)水平，但干勇坦言，“在一些高端產(chǎn)業(yè)上還有短板”。

    比如在硬質(zhì)合金棒料開槽砂輪領(lǐng)域，高端市場(chǎng)基本被美、日、德等發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，國(guó)內(nèi)超硬材料砂輪制備技術(shù)雖然一直在發(fā)展之中，但砂輪鋒利度和保型性這一矛盾仍是開槽砂輪的一大難題。

    “量小、品種多的產(chǎn)品，企業(yè)都不想干，可短板往往就在這些地方?！敝锌圃涸菏刻镉谰毖?。

    這對(duì)超硬材料行業(yè)的創(chuàng)新活力、可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成挑戰(zhàn)。為此，田永君表示，國(guó)家在重視科研的同時(shí)，也應(yīng)該向相關(guān)產(chǎn)業(yè)傾斜，高端前沿靠進(jìn)口是不行的。

    國(guó)產(chǎn)設(shè)備是關(guān)鍵

    據(jù)清華大學(xué)材料加工工程系博士常松去年11月在網(wǎng)易新聞“了不起的中國(guó)制造”介紹，人造鉆石成本約為天然開采鉆石的一半。中國(guó)2016年人造鉆石產(chǎn)量逼近200億克拉。

    中國(guó)合成金剛石在全世界占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)與自主研發(fā)的大型化合成壓機(jī)、優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金頂錘、粉末觸媒和間接加熱工藝（合稱粉狀工藝）的工業(yè)化密不可分。

大型化合成壓機(jī)是合成金剛石的核心設(shè)備，它要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)高溫（>1400℃）、高壓（>

5GPa）的合成腔體，依碳元素平衡相圖，在這個(gè)腔體內(nèi)，使碳原子形成穩(wěn)定的金剛石晶體。

    國(guó)外常用的是單軸向壓力機(jī)，通稱兩面頂壓機(jī)，而中國(guó)則用互成90°的三軸向壓力機(jī)，這種六面頂壓機(jī)，靠鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)承載三軸向壓力。

    國(guó)產(chǎn)鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)

    對(duì)于壓力機(jī)來說，最關(guān)鍵的零件就是組成合成腔的釘錘。頂錘要承受復(fù)雜苛刻的壓縮、剪切、拉伸應(yīng)力的作用，加上加熱時(shí)瞬時(shí)錘面溫度達(dá)500～600℃，要求近萬次反復(fù)使用壽命，服役條件十分苛刻。目前，頂錘材料采用WC-Co合金。

    中國(guó)從1965年設(shè)計(jì)制造這種六面頂壓機(jī)，迄今整個(gè)行業(yè)幾乎全采用六面頂壓機(jī)，并且開始被國(guó)外廠商引進(jìn)。

    有了合成的工具，接下來就是解決原料和工藝的問題了。合成金剛石需要的材料包括石墨和金屬觸媒，從2005年開始，整個(gè)合成金剛石行業(yè)都開始使用粉狀工藝，這種工藝是將石墨粉和觸媒粉的混合粉冷壓成合成塊，隨后脫氧處理，處理后的合成塊裝入葉蠟石的合成腔體中，靠?jī)啥藢?dǎo)電帽將大電流引入纏繞在合成塊周圍的碳質(zhì)之類的薄件發(fā)熱體上，在合成塊周圍形成一個(gè)加熱爐。

    功不可沒的門頭溝葉蠟石

    任何材料的發(fā)展都離不開原料的支撐。葉蠟石是超硬材料生產(chǎn)必須使用且不可替代的保溫、絕緣、密封和傳壓介質(zhì)。

   “我國(guó)葉蠟石礦藏雖有一定分布，但北京市門頭溝區(qū)的葉蠟石礦因特殊地質(zhì)成因被證明是最適合于超硬材料合成的?！敝袊?guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)超硬材料分會(huì)技術(shù)專家委員會(huì)委員崔祥仁曾對(duì)我國(guó)葉蠟石的幾大主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行了采樣調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 北京門頭溝葉蠟石的獨(dú)特性能是其他     任何地區(qū)的葉蠟石無法替代的。

    北京門頭溝葉蠟石屬高鋁型，其最大特點(diǎn)是在高溫下絕熱性與導(dǎo)壓性能較之國(guó)內(nèi)同類礦石更為優(yōu)越，物理化學(xué)性能更為穩(wěn)定。因而被最廣泛用于合成金剛石制造業(yè)，占該行業(yè)用量的98%以上。

    “門頭溝葉蠟石為我國(guó)超硬材料行業(yè)的起步、發(fā)展和壯大做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)”，燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究員王明智表示，“希望繼續(xù)秉持綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念，在新時(shí)代為我國(guó)超硬材料行業(yè)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)，為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)《中國(guó)制造2025》國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)做出更大貢獻(xiàn)”。

    另據(jù)中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng)2107年3月資料，葉臘石又稱臘石，因各地的習(xí)慣名稱不一，稱為青田石、凍石、壽山石、雞血石、圖章石等。

    化學(xué)成分：一種含水的鋁硅酸鹽，化學(xué)式為Al2[Si4O10](OH)2，其中Al2O3的理論含量為28.3%，SiO2為66.7%，H2O5.0%；

    莫氏硬度：1.25；

    密度：2.65g/cm3；

    熔點(diǎn)：1700℃；

    顏色：呈白、灰白、淺綠、黃褐等色；珍珠或油脂光澤；有滑膩感；條痕白色；不透明或半透明；

    分類：葉蠟石、水鋁石葉蠟石、高嶺石葉蠟石、凝灰質(zhì)葉臘石、含鐵葉蠟石；

    共生礦物：主要是石英、高嶺石、水鋁石，其次是黃鐵礦、玉髓、蛋白石、絹云母、伊利石、明礬石、水云母、金紅石、紅柱石、藍(lán)晶石、剛玉、地開石等。

    用途：人工合成金剛石用坯料（模具）、陶瓷、耐火材料、玻璃纖維、雕刻石等。

    全球葉臘石資源分布概況

    世界葉臘石礦產(chǎn)資源總量約有4億噸，其中已探明的有2億多噸。日本、韓國(guó)和中國(guó)的儲(chǔ)量總和約占世界總儲(chǔ)量的70%，三個(gè)國(guó)家目前占全球葉臘石產(chǎn)量的90%左右。

    中國(guó)

    中國(guó)是世界上葉臘石礦儲(chǔ)量最豐富的國(guó)家之一，其已探明儲(chǔ)量?jī)H次于日本和韓國(guó)。在福建、浙江、內(nèi)蒙古、廣西、北京、廣東、四川、河北等地均有產(chǎn)出，主要集中于在福建、浙江。

    福建葉蠟石儲(chǔ)量占全國(guó)儲(chǔ)量的50%以上，主要有福州峨嵋葉蠟石礦、壽山葉蠟石礦、閩清白中葉蠟石礦等。

    福州峨嵋葉蠟石礦是中國(guó)目前儲(chǔ)量最大的葉蠟石礦，宜作耐火材料用，年產(chǎn)工業(yè)葉蠟石2萬噸，雕刻用葉蠟石200噸。

    浙江葉臘石礦主要分布在青田、上虞等地，其青田縣葉蠟石探明儲(chǔ)量2000萬噸，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量達(dá)1.1億噸，主要以中鋁葉臘石為主，普遍存在鋁低、雜質(zhì)含量多的特點(diǎn)。全縣現(xiàn)有葉臘石礦山6家，葉臘石加工企業(yè)約15家，主要以加工葉臘石粒子為主；每年開采的葉臘石原礦約為45萬噸，開采出的葉臘石有80%以上是用于低廉的陶瓷行業(yè)。

    北京門頭溝葉蠟石礦床屬高鋁型，其最大特點(diǎn)是在高溫下絕熱性與導(dǎo)壓性能較之國(guó)內(nèi)同類礦石更為優(yōu)越，物理化學(xué)性能更為穩(wěn)定，因而被最廣泛用于合成金剛石制造業(yè)，占該行業(yè)用量的98%以上。

    2016年1月，廣東梅州發(fā)現(xiàn)葉臘石礦藏197.58萬噸，而且礦石質(zhì)量較好。

    我國(guó)對(duì)葉蠟石的開發(fā)利用主要是用作陶瓷、耐火材料和玻璃纖維的原材料，少量用作塑料橡膠、造紙等行業(yè)的填料。質(zhì)地堅(jiān)硬、純度較高的葉蠟石作為玉石使用。

    我國(guó)每年都有大量的葉臘石礦出口，但幾乎都是原礦產(chǎn)品，而各種填料級(jí)、涂料級(jí)等深加工產(chǎn)品生產(chǎn)至今末形成規(guī)模。

    日本

    日本葉臘石的年產(chǎn)量約為40萬噸，并且每年從中國(guó)進(jìn)口約2萬噸葉臘石用于玻璃纖維。

    韓國(guó)

    韓國(guó)南部的全羅南道和慶上南道等省擁有豐富的葉臘石礦藏，大型礦位于光星、莞島、諾哈島，其葉臘石年產(chǎn)量約為92萬噸。

    韓國(guó)葉臘石質(zhì)量一般，總產(chǎn)量的60%用作水泥原料，其余主要用于瓷磚、耐火材料及向日本出口。

    其他國(guó)家

    此外，澳大利亞、巴西、美國(guó)和加拿大等國(guó)亦有較豐富的葉臘石資源。