中國粉體網(wǎng)訊 金剛石因其具備超高硬度、出色熱導(dǎo)率、良好光學(xué)性能以及化學(xué)穩(wěn)定性等固有特性，在半導(dǎo)體、超精密加工、激光技術(shù)、電化學(xué)傳感等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域有著不可替代的應(yīng)用價值。現(xiàn)階段，工業(yè)金剛石的合成手段主要集中在高溫高壓（HPHT）法與化學(xué)氣相沉積法（CVD）這兩大類別。高溫高壓法合成金剛石，其原理是在高溫（一般1000℃以上）和高壓（5GPa以上）條件下，使碳源（如石墨）在金屬催化劑的作用下發(fā)生相變，碳原子的排列結(jié)構(gòu)從石墨的層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸牧⒎骄Ц窠Y(jié)構(gòu)，從而形成金剛石。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計與調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前約90%的工業(yè)金剛石是通過HPHT技術(shù)來合成的，這凸顯了HPHT技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)體系里的核心地位，也促使對其在功能金剛石材料制備方面的深入研究顯得尤為必要，關(guān)乎眾多產(chǎn)業(yè)能否實現(xiàn)進一步的技術(shù)突破與升級。
HPHT相較于CVD工藝的優(yōu)勢剖析
（一）成本方面
設(shè)備成本較低：高溫高壓法所使用的設(shè)備相對簡單，主要是六面頂壓機等，其結(jié)構(gòu)較為緊湊，制造成本相對不高。而化學(xué)氣相沉積法需要配備復(fù)雜的真空系統(tǒng)、氣體輸送系統(tǒng)、微波或射頻發(fā)生裝置等，這些設(shè)備的研發(fā)、制造和維護成本都較高。
生長速度快：高溫高壓法合成金剛石的速度通常比化學(xué)氣相沉積法快，能夠在較短的時間內(nèi)獲得一定尺寸和產(chǎn)量的金剛石，從而提高生產(chǎn)效率，降低單位生產(chǎn)成本，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
原料成本低：高溫高壓法的主要原料是石墨粉和金屬觸媒粉等，這些原料來源廣泛，成本相對較低。而化學(xué)氣相沉積法需要使用高純度的甲烷、氫氣等氣體作為碳源，這些氣體的制備和提純成本較高，增加了生產(chǎn)成本。
（二）產(chǎn)品性能方面
硬度和耐磨性高：高溫高壓法合成的工業(yè)用金剛石具有與天然金剛石相近的硬度和耐磨性，在鉆探、切削、磨削等工業(yè)加工領(lǐng)域能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，有效提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
熱穩(wěn)定性好：高溫高壓法合成的金剛石在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性較好，能夠承受較高的溫度而不發(fā)生明顯的性能變化，適用于一些需要在高溫條件下進行加工或使用的工業(yè)場景，如高溫爐的部件制造、金屬材料的熱加工等。
技術(shù)成熟度高：高溫高壓法合成金剛石的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，技術(shù)相對成熟，工藝穩(wěn)定可靠。生產(chǎn)過程中的各項參數(shù)控制和操作流程已經(jīng)較為完善，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。而化學(xué)氣相沉積法雖然近年來發(fā)展迅速，但在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中仍面臨一些技術(shù)難題，如如何進一步提高生長速率、降低缺陷密度、實現(xiàn)大尺寸單晶金剛石的穩(wěn)定生長等，技術(shù)成熟度相對較低。
（三）產(chǎn)品尺寸和形狀方面
小顆粒金剛石產(chǎn)量高：高溫高壓法在合成小顆粒金剛石方面具有優(yōu)勢，能夠大量生產(chǎn)粒度均勻、品質(zhì)穩(wěn)定的小顆粒金剛石，滿足工業(yè)生產(chǎn)中對金剛石微粉等小顆粒產(chǎn)品的大量需求，如用于制造研磨膏、拋光液、金剛石線鋸等。
可合成異形金剛石：通過調(diào)整模具和工藝參數(shù)，高溫高壓法還可以合成各種形狀的異形金剛石，如片狀、柱狀、針狀等，以滿足不同工業(yè)應(yīng)用場景對金剛石形狀的特殊要求，如用于制造刀具的刀片、鉆頭的切削刃等。而化學(xué)氣相沉積法主要以生長薄膜狀或片狀金剛石為主，在合成異形金剛石方面相對困難。
HPHT在核心功能金剛石材料制備的前沿進展
（一）大尺寸單晶金剛石
當(dāng)前，憑借對HPHT設(shè)備溫度、壓力控制系統(tǒng)的精細化調(diào)校，結(jié)合前沿的觸媒材料研發(fā)成果以及精準(zhǔn)的籽晶定向生長技術(shù)，科研團隊已在大尺寸單晶金剛石合成領(lǐng)域取得重要突破。如濟南金剛石科技有限公司實現(xiàn)了最大粒徑20mm大尺寸金剛石單晶的生長，且擁有成熟的厘米級尺寸金剛石單晶生產(chǎn)與加工工藝。但是HPHT法受高壓設(shè)備體積限制，晶體尺寸提升空間有限。并且使用該方法時需引入催化劑促進成核，導(dǎo)致金剛石內(nèi)部雜質(zhì)難以有效減少，影響其在電子級半導(dǎo)體等對純度要求高的領(lǐng)域的應(yīng)用。
（二）多晶金剛石
HPHT法合成的多晶金剛石具有硬度高、耐磨性強等特點，廣泛應(yīng)用于制造刀具、鉆頭、磨具等工業(yè)領(lǐng)域，能夠有效提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過調(diào)整工藝參數(shù)，如溫度、壓力、保溫時間等，可以控制多晶金剛石的晶粒尺寸、相組成和性能，以滿足不同工業(yè)應(yīng)用場景的要求。
（三）摻硼金剛石（BDD）
在BDD材料研發(fā)進程中，科研人員通過精心設(shè)計合成工藝路線，精準(zhǔn)引入特定雜質(zhì)元素、營造多元氣氛環(huán)境，借助HPHT技術(shù)成功激活BDD材料獨特的電學(xué)、力學(xué)與化學(xué)性能組合優(yōu)勢。硼摻雜金剛石單晶的摻雜效果主要表現(xiàn)為導(dǎo)電性的改變。在高溫高壓下，硼原子取代金剛石單晶中的碳原子，形成硼摻雜金剛石單晶。硼原子的加入使金剛石單晶中的空穴濃度增加，從而提高了材料的導(dǎo)電性。當(dāng)下，BDD電化學(xué)傳感器憑借超寬禁帶寬度（通常大于5eV）、優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性以及良好導(dǎo)電性，在環(huán)境監(jiān)測、水質(zhì)檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，能夠精準(zhǔn)檢測出水中痕量重金屬離子，為生態(tài)環(huán)境安全提供了可靠保障；在生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域，BDD電極憑借獨特表面性質(zhì)與電化學(xué)反應(yīng)活性，對復(fù)雜生物樣本響應(yīng)迅速、檢測準(zhǔn)確，為疾病早期診斷、生物標(biāo)志物精準(zhǔn)檢測提供了新途徑。
（四）金剛石-銅導(dǎo)熱材料
金剛石-銅導(dǎo)熱材料結(jié)合了金剛石的高導(dǎo)熱性和銅的良好導(dǎo)電性與機械加工性能，具有超高導(dǎo)熱、高電阻率、高擊穿場強、低介電常數(shù)、低熱膨脹等特點，能有效解決高功率電子元件的散熱問題，提高電子產(chǎn)品的性能和可靠性，在5G通信、新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域有重要應(yīng)用需求。通常采用粉末冶金、電鍍、化學(xué)鍍等方法將金剛石顆粒與銅基體復(fù)合在一起，但存在金剛石與銅界面結(jié)合強度低、金剛石含量受限等問題。HPHT法為制備金剛石-銅導(dǎo)熱材料提供了新途徑，可在高溫高壓下實現(xiàn)金剛石與銅的直接結(jié)合，提高界面結(jié)合強度和材料的綜合性能。
2024年12月24日，中國粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦“2024半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會”。屆時，我們邀請到河南工業(yè)大學(xué)教授栗正新出席本次大會并作題為《HPHT制備功能金剛石材料研究》的報告，栗正新教授將為您具體介紹HPHT在制備大尺寸單晶、多晶、BDD和鉆-銅導(dǎo)熱材料等方面的研究現(xiàn)狀與趨勢。
個人簡歷：
栗正新，男，1964.12月出生，河南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，河南工業(yè)大學(xué)高新產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院名譽院長，首席科學(xué)家，商丘市產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展研究院院長，全國超硬材料行業(yè)協(xié)會專家委員會副主任、全國磨料磨具行業(yè)專家委員會常務(wù)主任、全國磨料磨具標(biāo)準(zhǔn)化委員會委員，鄭州航空港超硬材料研究所名譽所長，河南省高校學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，河南省機械工程學(xué)會常務(wù)理事，九三學(xué)社河南省委常、河南工業(yè)大學(xué)委員會主委。《金剛石與磨料磨具工程》期刊編委、《超硬材料工程》期刊編委。
參考來源：
郝敬林等: 高溫高壓合成摻雜金剛石研究進展
賈曉鵬：超純與摻雜金剛石大單晶的高溫高壓合成
毛夢嬡：高溫高壓合成金剛石的機理、工藝及特征研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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