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硬度超天然金剛石 40%！六方金剛石如何改寫超硬材料格局

文章來源：賢集網更新時間：2025-02-18 21:19:53

在材料科學這一廣袤的領域中，超硬材料始終是備受矚目的研究對象。其中，金剛石堪稱超硬材料的杰出典范。它匯聚了眾多卓越性能于一身，不僅具備極高的硬度，還擁有出色的耐磨性以及極高的熱導率等優異特性。正因如此，金剛石不僅僅是深受人們喜愛的珍貴寶石，更被譽為“最鋒利的工業牙齒”，在工業領域發揮著廣泛且至關重要的作用。

近年來，隨著科技的持續進步與發展，我國在人造金剛石領域的研究取得了一系列引人矚目的成果，為超硬材料技術的不斷發展注入了強大動力。值得一提的是，吉林大學與中山大學的相關科研團隊緊密合作，在六方金剛石的合成方面實現了重大突破，這一成果無疑為超硬材料領域帶來了新的曙光和廣闊的發展前景。

1、六方金剛石合成：全新路徑與重大突破

吉林大學物理學院高壓與超硬材料全國重點實驗室、綜合極端條件高壓科學中心劉冰冰教授、姚明光教授團隊聯合中山大學朱升財教授等開展的研究，取得了在超硬材料領域具有里程碑意義的成果。研究團隊發現了高溫高壓下石墨經由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑，并首次成功合成出高質量的六方金剛石塊體材料，同時發現其具備高出立方金剛石的極高硬度和良好的熱穩定性。

早在 1967 年，美國科學家于隕石坑中發現了一種珍稀的 “超級鉆石”，因其獨特的六方晶體結構、與隕石共生的特性以及更為堅硬的特質而備受關注。然而，在過去的半個世紀里，人工合成純相六方金剛石一直是科學界長期未能攻克的難題。

此次研究中，研究人員精心設計了高溫高壓實驗，巧妙運用激光加溫金剛石對頂砧技術，對石墨在 50GPa 超高壓高溫下的結構變化規律進行了原位研究。研究發現，石墨在高壓力區間會形成一種名為 “后石墨相” 的高壓結構，隨后通過局部加熱的方式，成功獲得了六方金剛石。

具體而言，研究團隊在 30GPa、1400℃的實驗條件下，成功制備出了毫米級高取向的六方金剛石塊材。對該六方金剛石塊材的性能研究表明，其具備出色的物理性質。在硬度方面，其硬度高達 155±9GPa，超過天然金剛石硬度的 40% 以上；在熱穩定性方面，在真空環境下其熱穩定性可以達到 1100℃，明顯優于納米金剛石的 900℃。

研究團隊進一步結合大尺度分子動力學理論模擬，深入揭示了石墨層堆疊構型對形成六方金剛石結構的關鍵作用，有力地證實了石墨經由后石墨相形成六方金剛石這一全新路徑的科學性和可行性。這一成果不僅為純相六方金剛石的人工合成提供了一種有效的途徑，同時也給出了六方金剛石能夠獨立存在的有力證據，為超硬材料和新型碳材料家族增添了性能更為優異的新成員，為突破立方金剛石在應用上的局限提供了新的可能。

2、性能優勢凸顯：開啟超硬材料應用新可能

六方金剛石所展現出的卓越性能，使其在超硬材料領域具有巨大的應用潛力。從硬度這一關鍵性能指標來看，其硬度超過天然金剛石的 40%，這一數據在超硬材料的應用中具有重要意義。

目前，金剛石在工業領域的主要用途之一是作為耐磨材料，廣泛應用于磨料、磨具等方面。從超硬材料產業鏈人士的角度來看，若未來六方金剛石能夠實現量產，按照其硬度指標進行測算，在相同的使用場景下，其用量相較于天然金剛石或立方金剛石有望減少 40% 以上。這不僅意味著在材料使用成本上可能會有顯著的降低，同時也體現了六方金剛石在性能上的優勢，能夠以更少的用量實現相同甚至更好的使用效果。

除了硬度方面的優勢，六方金剛石的晶體結構與一般的立方結構金剛石存在根本性的轉變。這種結構上的差異，使得六方金剛石在其他性能方面也可能展現出獨特的優勢。從理論推測以及相關研究人員的分析來看，六方金剛石可能具有更好的導熱性。這一潛在的性能優勢，為其在未來的應用開辟了更為廣闊的空間，尤其是在半導體散熱等對材料導熱性能要求極高的領域，六方金剛石有望發揮重要作用。隨著半導體技術的不斷發展，芯片的集成度越來越高，散熱問題成為制約芯片性能提升的關鍵因素之一。六方金剛石若能應用于半導體散熱領域，將為解決這一問題提供新的有效途徑，推動半導體技術的進一步發展。

3、我國人造金剛石發展迅猛

近年來，我國在人造金剛石領域的技術突破呈現出頻繁涌現的態勢，不斷推動著該領域的技術進步和產業發展。

去年 12 月，北京大學東莞光電研究院發布了一項最新研究成果。該院與南方科技大學、香港大學組成的聯合研究團隊，在金剛石薄膜材料制備和應用方面取得了重要進展。他們成功開發出了一種能夠批量生產大尺寸超光滑柔性金剛石薄膜的制備方法。這一成果被視為在金剛石薄膜技術領域的一大飛躍，為未來金剛石薄膜在電子、光學等多個領域的應用提供了新的可能性。在電子領域，金剛石薄膜因其優異的電學性能和熱學性能，有望應用于高性能電子器件的制備；在光學領域，其高透明度和良好的光學性能，可用于制備光學窗口、透鏡等光學元件。

今年 2 月 10 日，寧波大學物理科學與技術學院潘益龍研究員聯合燕山大學高壓科學中心田永君院士團隊及南京理工大學研究人員，成功合成出硬度達 276GPa 的超細納米孿晶金剛石塊材，再度刷新了材料硬度紀錄。這一成果進一步展示了我國在人造金剛石領域的技術實力，也為超硬材料的研究和應用提供了新的方向和思路。

我國作為人造金剛石的主要生產國，在人造金剛石的產量方面占據著全球主導地位，人造金剛石產量占全球總產量的 90% 以上。在技術層面，我國自主研發的六面頂壓機及整套生產技術處于國際領先水平。這些技術和產業上的優勢，為我國在人造金剛石領域的持續發展奠定了堅實的基礎，也為相關技術的進一步創新和應用提供了有力的支持。

4、產業化挑戰與機遇

盡管我國在人造金剛石領域取得了眾多令人矚目的技術突破，但在將這些新技術轉化為實際生產力，實現產業化的道路上，仍然面臨著諸多挑戰。

目前，人造金剛石的制備方法主要包括高溫高壓法（HTHP）和化學氣相沉積法（CVD）。對于一些新的技術和材料，如六方金剛石或 CBN（立方氮化硼）的制備，面臨著技術成熟度、設備材料匹配度以及成本控制等多方面的難題。以六方金剛石為例，其制備需要 10 萬帕以上的壓力，這比現在立方金剛石制備所需的壓力高出一倍。能否實現產業化，關鍵在于所需的超高壓設備及模具，需要綜合考慮其技術經濟指標是否具有可行性。如果設備和模具的成本過高，或者在實際生產中難以穩定運行，將嚴重制約六方金剛石的產業化進程。

從新材料開發的一般規律來看，國際上存在 “雙十法則”（ten years, ten million），即新材料的開發通常需要十年的時間和千萬級別的資金投入。在產業化過程中，還需要經過小試（實驗室成果）、中試（小批量生產驗證）、產業化（大批量工業化生產）這三個階段。在這個過程中，不僅要解決關鍵設備及配套材料的問題，還需要降低生產成本、提高生產效率，只有這樣，新技術才能真正實現大規模商業化生產和應用。

面對這些挑戰，我國的人造金剛石相關企業已經積極行動起來。力量鉆石、黃河旋風、惠豐鉆石、國機精工、中兵紅箭、四方達、沃爾德等人造金剛石主要企業紛紛加大了技術創新和研發投入。

中兵紅箭的功能金剛石產品已可應用于半導體、光學、散熱、量子等領域；力量鉆石的全資子公司與臺灣捷斯奧企業有限公司簽訂了半導體高功率金剛石半導體項目，致力于研究半導體散熱功能性金剛石材料；光莆股份投資的化合積電公司的金剛石熱沉片可用于芯片散熱。這些企業的努力和布局，為我國人造金剛石產業的未來發展帶來了新的機遇和希望，有望推動我國在超硬材料領域實現從技術突破到產業應用的跨越，在全球超硬材料市場中占據更重要的地位。

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