金 刚石有两种形态。一种是单晶金刚石 ,它虽然具有无可比拟的硬度 ,但性脆而不耐冲击。另一种是聚晶 (ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ)金刚石 ,被叫做“Ｃａｒｂｏｎａｄｏ”。天然的Ｃａｒｂｏｎａｄｏ是一种名贵的聚晶金刚石。它各向同性 ,质地非常致密坚韧 ,冲击韧性可达到单晶金刚石的 10倍 ,工业使用价值极高。然而 ,它蕴藏在地下数百公里的岩体里 ,只有火山喷发时才被带出地表 ,储量少 ,发现困难 ,价格昂贵 ,不能满足生产的需要。196 1年 ,美国率先用爆炸法合成出“Ｃａｒｂｏｎａｄｏ”型聚晶金刚石微粉 ,随后ＤｕＰｏｎｔ公司等取得了一系列专利。他们所使用的方法 ,每次用炸药 5吨 ,每公斤炸药的金刚石产量约为 10克拉。产品需经球磨或气流磨浑圆化整形。目前用先进的气流磨浑圆化只能处理0 .5 μｍ以粗的颗粒。从 70年代初开始 ,中科院力学所邵丙璜等人开展了长达 8年的爆炸合成金刚石研究 ,取得了颇具特色的成果。并于 1993年创建了中国第一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为 6 0克拉 ,年产能力为 10 0万克拉 ,主要销往国外。产品为“Ｃａｒｂｏｎａｄｏ”型聚晶金刚石微粉 ,自然呈团球状 ,不需整形工序。近年来 ,本文作者又对爆炸合成金刚石的爆炸力学及相变动力学过程做了大量理论分析、数值计算和实验工作。借助计算机筛选实验参数 ,对技术方案和工艺流程做了较大改进 ,使每公斤炸药的金刚石产量提高到 10 0克拉 ,降低了成本 ,展现了良好的产业化前景。作者的最新研究表明 ,每公斤炸药的金刚石产量可望再上一个台阶 ,从而可进一步降低成本 ,提高产品的市场竞争能力。我们研制的“Ｃａｒｂｏｎａｄｏ”型聚晶金刚石微粉是由直径为 3～ 10ｎｍ的纳米晶粒 ,通过不饱和键结合而成的微米和亚微米聚晶微粉 ,因而各向同性无解理面 ,具有很高的韧性。聚晶金刚石微粉的上述结构特点使得它既具有无与伦比的硬度、化学稳定性和导热性 ,同时又兼有纳米材料超常的高强度和高韧性。双重优点使它从本质上优于天然单晶金刚石和静压法人造单晶金刚石微粉 ,避免了单晶金刚石微粉容易沿解理面脆性断裂的弱点 ,因而不易划伤工件表面。在磨削过程中 ,随着纳米晶粒的剥落 ,不断出现新的刃口。用“Ｃａｒｂｏｎａｄｏ”型金刚石微粉制成的磨具和研磨剂 ,可用于精细陶瓷、集成电路芯片、各类宝石、铁氧体磁头、石英片、硬质合金、光学镜头等各种坚硬材料制品的精加工和抛光。与单晶金刚石微粉相比 ,其加工效率高、使用寿命长、表面光洁度高 ,显示了优异的性能。以国际驰名的ＤｕＰｏｎｔ公司的Ｍｙｐｏｌｅｘ品牌为例 ,与天然或人造单晶金刚石相比 ,在加工坚硬材料时不仅光洁度更高 ,工作效率也提高了近 4倍。 1995年 ,其微米和亚微米级金刚石微粉售价为 2～ 3美元 克拉 ,其中最贵的达 11.8美元 克拉 ,远高于静压法的单晶金刚石。近年来 ,随着芯片技术的发展 ,许多坚硬材料被用作集成电路的基底 ,如蓝宝石、硅、碳化硅、熔融石英、氧化铝、碳化钛等。上述材料不但都很坚硬 ,而且对制成的芯片后的光洁度要求极高。因为要利用光刻技术在该表面上刻蚀出极细微的集成电路图案 ,所以任何一条细小划痕都能导致整个芯片报废。十多年前 ,美国芯片的合格率常常低于 5 0 % ,目前 ,在美国一流工厂生产芯片的合格率达到 80 %以上。Ｍｙｐｏｌｅｘ聚晶金刚石在芯片超精抛光中起着重要的作用。随着光刻技术的发展 ,要求使用波长越来越短的光源 ,目前已开始用Ｘ光代替深紫外光。刻制的精度也由 0 .35 μｍ向0 .18 μｍ ,0 .13μｍ ,0 .1μｍ方向不断提高。 1996日本电信电话公司报导 ,用Ｘ射线已成功地在半导体芯片上刻出宽度仅为 0 .0 7μｍ的线。刻制精度每上一个台阶 ,都对芯片表面的加工精度提出了更苛刻的要求。单晶金刚石和目前国际市场上的非团球状的聚晶金刚石 ,在超精细加工时都存在划伤工件表面的可能性。而用我们的团球状“Ｃａｒｂｏｎａｄｏ”型聚晶金刚石抛光后 ,表面不平度可降到 0 .6ｎｍ以下 ,显示出它独特的优越性。因此 ,团球状Ｃａｒｂｏｎａｄｏ型聚晶金刚石微粉 ,将在2 1世纪的芯片表面加工产业中发挥重要作用。1997年世界芯片产量已达到 35 0 0亿块 ,其中 15 0亿块用于微处理器。随着芯片精度的提高 ,容量的扩大 ,对于能确保产品最终表面精度的爆炸合成金刚石微粉的需求必将同步增长。以每加工 15 0块芯片平均需要 1克拉金刚石计 ,则潜在的金刚石微粉市场可达1亿克拉以上。据 1997年统计 ,全球共有 79家芯片制造厂 ,主要分布在美国、日本、韩国、欧洲和中国台湾。因此 ,爆炸合成金刚石的用户主要也在上述国家和地区。截止 1999年底 ,中国内地共有 7家芯片生产厂。2 0 0 0年是国内芯片工业发展的一个转折点 ,仅 12月北京和上海两地又有 4家芯片工厂破土动工。预计我国对集成电路市场的需求将迅速增长。国内芯片制造业的发展必将为聚晶金刚石微粉提供巨大的市场。由于聚晶金刚石微粉可牢固地 镀覆在物体表面 ,形成光洁、平滑“永不磨损”的表面层。这种镀层较其它著名耐磨材料具有高几倍到几十倍的耐磨性 ,所以采用球状聚晶金刚石微粉的化学镀层将是多种高科技产品表面改性的有效途径。195 5年美国ＧＥ公司首先用静压法合成出ＣＢＮ。静压法合成的ＣＢＮ与静压法合成的金刚石一样是单晶 ,存在解理面 ,在冲击载荷作用下极易沿解理面发生断裂。这对于要承受高速断续切削的刀具来说是一个很大的缺陷。 196 7年 ,前苏联科学院化学物理研究所用爆炸法合成出ＷＢＮ。但ＷＢＮ的硬度和热稳定性均低于ＣＢＮ。 70年代苏联和日本相继实现了爆炸法合成ＷＢＮ的工业化生产。在日本 ,致密相氮化硼产品的销售量每年递增约 2 0 %。据悉 ,日本从美国进口静压法ＣＢＮ微粉的价格约为 3美元 克拉。ＷＢＮ微粉国际市场价格约为 1美元 克拉。由于静压法合成的ＣＢＮ容易沿解理面断裂 ,因而以它为主要成分烧结成的刀具 ,包括美、英、俄、日的一些著名品牌都普遍存在抗冲击强度低的问题 ,且抗挠曲抗断裂强度也不理想。而用ＷＢＮ为主要成分制成的刀具硬度又达不到要求。因此从 80年代开始 ,前苏联和日本研制了以爆炸合成的ＷＢＮ和静压法合成的ＣＢＮ混合制成刀具并进入市场。这是在人们解决不了爆炸合成ＣＢＮ问题的情况下不得已而采取的办 法。这类刀具在实用中也取得了良好效果。可在无冷却润滑剂的干燥状态下高速切削硬度为Ｒｃ=6 0 6 3的淬火钢。连续切削 6 0分钟后刀具磨损仅为 0 .2ｍｍ左右。这种持续切削的性能保证了长时间的连续生产而不必停机更换刀具 ,对现代化生产线具有重要意义。在日本 ,直径 2 0ｍｍ的这种氮化硼刀片 ,每片售价高达 2 0 0美元。70年代我国曾进行过爆炸合成致密相氮化硼的实验研究。但其产物均为ＷＢＮ。 2 0多年来 ,实现用爆炸法合成ＣＢＮ一直是人们梦寐以求的目标 ,但到目前为止 ,国内外尚未找到可规模化生产爆炸合成ＣＢＮ的方法。近年来作者开展了爆炸合成致密相氮化硼的理论分析和实验研究工作 ,取得了令人鼓舞的结果。每公斤炸药的产量达 10 0克拉以上 ,技术方案便于规模化生产。由产品的Ｘ衍射峰高度近似估算出其ＣＢＮ与ＷＢＮ的重量比约在 6 0∶4 0到 70∶30之间。由于爆炸法合成的致密相氮化硼在远离相平衡线的条件下生成 ,因而成核率极高。在 1～ 2 μｓ时间内已形成大量纳米微晶 ,其平均粒度约为 8ｎｍ。这些纳米晶聚集形成粒径为 0 .1～ 0 .3μｍ的聚晶微粉。用纳米晶构成的聚晶微粉烧结成刀具后 ,各向同性无解理面 ,因而冲击韧性极好。静压法ＣＢＮ刀具虽有诸多优越性 ,但使用量占整个刀具市场的比例尚小。以美国 1996年统计资料为例 ,金属切削刀具总耗费为 6 0 0亿美元 ,而ＣＢＮ刀具仅占 6亿美元左右。这主要是由于用静压法得到的单晶ＣＢＮ韧性不够理想造成的。爆炸法合成ＣＢＮ产业化的突破 ,将从根本上改变这种状况。此外 ,爆炸法单次产量为静压法的若干倍 ,后处理工艺简单。这些优点可使爆炸法ＣＢＮ的成本较低。如果这种产品能在美国刀具市场占据 1%的份额 ,产值即可达 6亿美元。1999年日本旭化成公司发表了爆炸法人工合成氮 碳 硼异性金刚石的工作。该产品为蓝黑色微粉 ,兼有金刚石和立方氮化硼的优越性能。
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