我國金剛石單晶產量占全球總產量的90%以上 穩(wěn)居世界第一

我國金剛石單晶產量占全球總產量的90%以上，穩(wěn)居世界第一。其中，河南人造金剛石產量占到約80%，河南已經成為全球超硬材料行業(yè)實至名歸的“領航員”。

河南在金剛石領域的突出表現(xiàn)，還要歸功于河南的一家研究所。如今，他們憑借前瞻性思維，瞄準了金剛石優(yōu)秀的光電特性，希望在半導體等未來產業(yè)，繼續(xù)換道領跑。

河南的工業(yè)名片

第一顆人造金剛石在這里誕生

鄭州高新技術開發(fā)區(qū)梧桐街121號，坐落著一家被俗稱為“三磨所”的研究所。就是這樣一家并不顯山露水的研究所，奠定了我國在世界金剛石領域的地位。

1958年，國家籌建鄭州磨料磨具磨削研究所。因為專注于磨料、磨具、磨削的研發(fā)，所以就有了“三磨所”這個俗稱。研究所就建在二砂廠(中國第二砂輪制造廠)內，定位為全國各砂輪廠的共同科研單位。

當年，國內砂輪廠的核心原料人造金剛石為國外對中國禁售的戰(zhàn)略物資。為了保證自主安全，1960年，國家第一機械工業(yè)部設立了121號研究課題：研究人造金剛石，并把這個重要的課題交給了鄭州三磨所。

1963年三磨所成功研制中國第一顆人造金剛石。1965年三磨所研發(fā)出我國第一臺六面頂壓機，它基于我國完全自主知識產權、獨特的“六面頂”設備及工藝，獨占世界超硬材料產業(yè)鰲頭。

頂端新聞·河南商報記者了解到，這臺六面頂壓機研發(fā)成功當年，金剛石產量即達到1萬克拉，隨后的30年間，該頂壓機共合成金剛石約150萬次。如今，這臺具有紀念意義的功勛機器收藏在三磨所的院內成為“鎮(zhèn)院之寶”。

頂端新聞·河南商報記者根據(jù)《2021年中國磨料磨具工業(yè)年鑒》相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)了解到，2020年行業(yè)內主要生產商金剛石單晶產量約為200億克拉，產值約為50億元，平均每克拉不到3毛錢。

人造金剛石從1965年的30多元/克拉，降到現(xiàn)在的3毛錢/克拉，三磨所研發(fā)的技術硬生生地把人造金剛石打成白菜價(這里指的是工業(yè)級金剛石的價格，與珠寶鉆石相比，它的純度較低)。

它所帶動的人造金剛石產業(yè)，也被業(yè)內人士譽為河南的一張工業(yè)名片。

人造金剛石領域的黃埔軍校，助力多家上市企業(yè)

“在應用領域，河南超硬材料企業(yè)創(chuàng)造的產值占全國同領域產值的50%以上。除了三大龍頭企業(yè)之外，河南還有200余家超硬材料及制品生產企業(yè)。”河南省科學技術協(xié)會主席呂國范介紹，柘城被譽為中國鉆石之都、金剛石微粉之鄉(xiāng)。其中金剛石微粉產量和出口量占全國市場份額分別達到70%和50%，大顆粒單晶產量占全國市場份額的60%。

頂端新聞·河南商報記者梳理發(fā)現(xiàn)，河南在超硬材料領域已有黃河旋風、力量鉆石、四方達等上市公司。隨著惠豐鉆石A股IPO注冊獲批、富耐克上市輔導通過驗收，河南鉆石上市企業(yè)有望迎來新一波擴容。

而這些企業(yè)，都與三磨所這所“黃埔軍校”有著千絲萬縷的聯(lián)系。

三磨所從幾十平方米的“籌備處”，發(fā)展到現(xiàn)在擁有標準化廠房6萬㎡、科研實驗室3000㎡、10余條智能化生產線及千余臺套國內外先進生產設備的綜合性企業(yè)(隸屬于上市公司國機精工)。

頂端新聞·河南商報記者了解到，2021年，鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司年產值已經突破8.2億元，利潤率超過30%，市場占有率穩(wěn)步提升。

過去的幾十年，三磨所從無到有圍繞超硬材料領域不斷研發(fā)創(chuàng)新。其研發(fā)的相關磨具廣泛應用于芯片加工、汽車制造、油氣鉆探等領域。

在“傳統(tǒng)”磨具領域，他們已經做到了在頭發(fā)絲上“跳舞”的境界。

舉個例子，在芯片加工領域，一個重要的環(huán)節(jié)就是要精準地在光亮如鏡面般的大直徑硅片上進行精準“裁剪”。

“這里就要用到我們研發(fā)的高效精密超薄硅片劃片刀。”鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司科技發(fā)展部部長孫冠男告訴頂端新聞·河南商報記者說，“這種刀片的厚度是10微米，而一根頭發(fā)絲的直徑大約是80微米，我們的產品能夠做到在一根頭發(fā)絲上開7道槽。”

包含上述劃片刀在內，三磨所研發(fā)出的“切、磨、拋”芯片加工全系超硬材料制品，對我國芯片加工產業(yè)的獨立自主可控、保障芯片產業(yè)技術安全具有重要意義。

行業(yè)風向標，已瞄準下一個賽道

“以往，金剛石在工業(yè)領域的應用主要是圍繞其硬度、耐磨性等機械性能。其實金剛石還有一系列優(yōu)秀的性能。例如，其導熱率非常好，可以用來制作高性能導熱材料。光學透過性好，可以做高性能光學窗口材料。”鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司董事長趙延軍在接受頂端新聞·河南商報記者專訪時說。

三磨所針對金剛石高導熱性、透光性等性能，已經開發(fā)出相關產品成功應用在雷達、航空航天等領域。用于5G相關設備上的應用也在研發(fā)過程中。

除了“高大上”的領域，硼摻雜金剛石電極在電化學傳感器、污水處理等領域已取得了突破性進展，壽命是傳統(tǒng)電極的數(shù)十倍。

“金剛石最有前景的應用領域在第四代半導體，這已經是國際前沿的研究熱點。”趙延軍向頂端新聞·河南商報記者介紹，已經有相關機構在研究金剛石在量子計算領域的應用。

由于具有載流子遷移率高、載流子飽和漂移速率大、擊穿場強大等性能，金剛石是研制大功率、高溫、高頻等高性能半導體器件的理想材料，被行業(yè)譽為“終極半導體材料”?？商娲F(xiàn)有硅、砷化鎵等半導體材料，引發(fā)半導體產業(yè)革命。

也就是說，未來有一天，你用的芯片可能是金剛石打造的。

不過，趙延軍坦言，想要實現(xiàn)芯片級金剛石的工業(yè)化，需要克服提高金剛石純度、制作大尺寸金剛石薄片等一系列系統(tǒng)性技術挑戰(zhàn)：在實驗室中研發(fā)成功后，還需經歷優(yōu)化工藝和成本、應用等一系列產業(yè)化落地過程，預計需要10~20年的研發(fā)才有可能突破。(頂端新聞·河南商報首席記者郭丁然文/圖)

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