金剛石晶體的不同類型及應(yīng)用梳理

金剛石是我們都非常熟悉的超硬材料，人造金剛石晶體有多種不同的類型，大致可分為單形和聚形，每種類型都具有不同的特性和應(yīng)用。本文梳理了金剛石晶體的不同類型及應(yīng)用。

單形，就是同種晶面組成的晶體形態(tài)。比如說晶面都是（111）面或者都是（100）面組成的晶體形態(tài)就是單形，典型代表就是，方晶都是由（100）面組成，八面體都是（111）面組成。

聚形，是由兩種或兩種以上晶面組成的晶體形態(tài)，也就是說聚形是由單形聚合而成。比如（111）面和（100）面聚合的形態(tài)就是六八面體聚形，這種晶型很常見，合成生產(chǎn)中一般都是以六八面體為主。

金剛石單晶

金剛石單晶是由具有飽和性和方向性的共價鍵結(jié)合起來的晶體，是金剛石晶體中最常見的類型，其結(jié)晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、同期性地排列，具有缺陷少、無晶界制約的特點，因此在導(dǎo)熱性、硬度、透光性以及電性能上有突出的優(yōu)勢。

晶體結(jié)構(gòu)：金剛石單晶是由具有飽和性和方向性的共價鍵結(jié)合起來的晶體，結(jié)晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、同期性地排列，或者說晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構(gòu)成，整個晶體中質(zhì)點在空間的排列為長程有序。晶體結(jié)構(gòu)均勻、完整，具有均勻的化學(xué)、熱力學(xué)性質(zhì)。

制造方法：在熱力學(xué)穩(wěn)定的高溫高壓及觸媒參與的條件下合成，國內(nèi)基本都采用六面頂壓機合成。

物理性質(zhì)：金剛石單晶硬度大、抗磨損性能好，具有良好的導(dǎo)熱性能和耐高溫性能，能夠在高溫高壓環(huán)境下保持穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)。

切削應(yīng)用：單晶金剛石刀具的顯微硬度高達10000HV，因此具有良好的耐磨性。由于單晶金剛石的刀刃可以達到原子級的平直度及鋒利度，切削時可以將刀刃完美的狀態(tài)，直接復(fù)制在被加工物上，加工出光潔度極高的鏡面，確保獲得極高的尺寸精度，并在能夠在高速切削和重負荷下保持刀具的壽命和性能穩(wěn)定，適用于超薄切削和超精密加工，在加工有色金屬時，表面粗糙度可達Rz0.1～0.05μm， 被加工工件的形狀精度控制50nm以下。同時由于其摩擦系數(shù)低，加工時變形小，因此可減小切削力。

研磨拋光：金剛石單晶分散性好，尖角的利用率更高，因此制備成研磨液時，濃度相對與多晶金剛石要低很多，其性價比也就比較高，更適合用來拋光陶瓷一類要求不那么高的材料。

導(dǎo)熱應(yīng)用：金剛石的熱導(dǎo)性能基本上來自碳原子振動（即聲子）的傳播，金剛石中的雜質(zhì)元素、位錯和裂紋等晶體缺陷，殘留金屬催化劑及晶格位向等因素都會與聲子發(fā)生碰撞使其發(fā)生散射，從而限制了聲子的平均自由程，降低熱導(dǎo)率。而金剛石單晶具有高度有序的晶格結(jié)構(gòu)，使得其幾乎沒有晶界散射的影響，因此具有高達2200 W/(m·K)的導(dǎo)熱系數(shù)，與此同時，金剛石具備化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、高絕緣性、介電常數(shù)小等特性，基于這些優(yōu)異的性能，單晶金剛石有望在半導(dǎo)體襯底等多領(lǐng)域大幅應(yīng)用。

光學(xué)應(yīng)用：CVD法所制備的高質(zhì)量單晶金剛石，可做到完全無色透明，幾乎沒有任何雜質(zhì)，其高度有序的晶體結(jié)構(gòu)也使得光在晶體中傳播時不受到結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的干擾，因而呈現(xiàn)出更為卓越的光學(xué)性能。它具有最寬的透過光譜，從紫外的225nm到紅外的25μm（波長1.8μm-2.5μm除外），以及到微波范圍內(nèi)，單晶金剛石都具有優(yōu)良的透過性，理論透過率高達71.6%，用單晶CVD金剛石制作的微鏡片(光學(xué)儀器中的透鏡、棱鏡等)以及紅外窗口都具有極佳的性能，目前已應(yīng)用于航天領(lǐng)域。此外，單晶金剛石是一種性能優(yōu)異的晶體拉曼材料，使得拉曼激光可以實現(xiàn)更高的增益、更高的功率密度和可變波長，為高功率激光的發(fā)展提供了新的機遇。

金剛石多晶

多晶金剛石的結(jié)構(gòu)是由眾多細小的納米級小顆粒通過不飽和鍵結(jié)合而成，與天然的黑金剛石（以黑色或者暗灰色為主色的天然多晶金剛石）極為相似。與單晶金剛石相比，多晶金剛石晶粒呈無序排列，韌性好，具有更大的表面積，在承受更高的壓力，不會出現(xiàn)大面積破碎。

晶粒結(jié)構(gòu)：多晶金剛石是由眾多細小的納米級小顆粒聚集而成，經(jīng)過提純分級等后續(xù)處理得到不同粒度范圍的多晶金剛石微粉，粒度一般不超過10微米。晶體結(jié)構(gòu)不均勻，缺陷嚴重、脆弱，具有尖銳棱角的不規(guī)則外形。結(jié)構(gòu)與天然的Carbonado極為相似。通過不飽和鍵結(jié)合而成，具有很好的韌性。

制造方法：金剛石多晶（微粉）是利用獨特的爆破法由石墨制得，高爆速炸藥定向爆破的沖擊波產(chǎn)生高溫高壓，金屬飛片加速飛行撞擊石墨片從而導(dǎo)致石墨轉(zhuǎn)化為多晶金剛石。一般只有幾微秒的瞬間，產(chǎn)品多是5~20納米的細小多晶體。

物理性質(zhì)：金剛石多晶硬度不如單晶高，但仍具有優(yōu)異的耐磨性能和導(dǎo)熱性能，能夠在高溫高壓環(huán)境下保持一定穩(wěn)定性。

磨削性能：金剛石多晶的切割性能不如單晶，但具有獨特的韌性和自銳性，多晶金剛石具有更多的晶棱和磨削面，在磨削過程中每條晶棱都具有磨削力，并且粗顆粒在磨削過程中會破碎脫落成更小的顆粒，這樣既可以保持持續(xù)的磨削力，又避免尖銳棱角對工件表面造成劃傷，既保證了樣品表面的磨拋質(zhì)量，又提高了研磨切削效率。與單晶金剛石比起來，更適合用來研磨表面由不同硬度材料構(gòu)成的工件。

半導(dǎo)體領(lǐng)域：作為半導(dǎo)體材料，金剛石多晶與單晶材料的應(yīng)用方向大有不同。多晶金剛石的光性能和電性能等不如單晶金剛石優(yōu)異，在光學(xué)級、電子級多晶金剛石膜的應(yīng)用上相對苛刻，在制備上要求沉積速率理想和缺陷密度極低或可控，但在導(dǎo)熱方面，多晶金剛石仍有著接近2000 W/(m·K)的導(dǎo)熱系數(shù)，因此多晶金剛石膜一般是作為半導(dǎo)體功率器件散熱的熱沉應(yīng)用。相較于單晶金剛石，其沉淀的技術(shù)水平也較容易實現(xiàn)，制備成本的優(yōu)勢也更加明顯。

研磨拋光：作為精密磨料，由于多晶金剛石晶粒呈無需排列，當(dāng)受高壓時產(chǎn)生的微破碎可被限制在微晶的小范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)大的解理面破碎，具有良好的自銳性，因此允許在研磨和拋光時使用較高的單位壓力。在研磨拋光過程中，隨著微晶顆粒的脫落，多晶金剛石磨料會不斷地露出更多同樣粗糙和尖銳微晶，這意味著不論工件的方向如何，它都擁有很多的切削刃，不僅材料去除率高，而且對樣品表面的拋光更柔和，可避免對工件表面造成劃傷，特別適用于藍寶石、碳化硅等襯底的加工以及用來研磨表面由不同硬度材料構(gòu)成的工件。

鍍膜添加劑：多晶金剛石用于金屬模具、工具、部件等的鍍膜，能夠大大提高表面耐磨性、表面硬度、延長使用壽命。

切削刀具：相較于金剛石大單晶，多晶金剛石的無序晶體結(jié)構(gòu)賦予了其更耐沖擊的特性，切割時不容易產(chǎn)生崩裂現(xiàn)象。因此應(yīng)用時限制較少，應(yīng)用范圍更為廣泛，同時其與非金屬和有色金屬材料之間的親和力極低，在使用過程中不易產(chǎn)生粘刃現(xiàn)象。

金剛石類多晶

由于多晶金剛石有很大的市場需求，就衍生了類多晶金剛石產(chǎn)品。類多晶，也就是使用單晶金剛石做原材料，經(jīng)過表面刻蝕處理形成蜂窩孔洞結(jié)構(gòu)，以此達到類似多晶金剛石的磨拋效果，所以叫做“類多晶”金剛石。

類多晶金剛石微粉，是介于單晶金剛石和多晶金剛石之間的新型磨料。由單晶金剛石微粉采用特殊工藝加工制成。

類多晶金剛石具有硬度適中、把持力強、自銳性強、磨削效率高、可顯著降低工件表面的粗糙度等特點，應(yīng)用于碳化硅、藍寶石襯底晶片、光學(xué)鏡片、陶瓷和合金等領(lǐng)域的精密研磨、拋光，是多晶金剛石的經(jīng)濟替代型產(chǎn)品。

金剛石聚晶

人造金剛石聚晶是一種把金剛石與結(jié)合劑在高溫、高壓條件下燒結(jié)而成的金剛石聚合物，它具有極高的耐熱性和很高的熱穩(wěn)定性。廣泛應(yīng)用于制造石油，地質(zhì)鉆頭，鉆石加工和機械加工工具等。

聚晶金剛石既是工程材料，又是新型的功能性材料；既是高新技術(shù)產(chǎn)品，又是高效益的產(chǎn)品。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，聚晶金剛石以其優(yōu)良的力、熱、化學(xué)、聲、光、電等性能，在現(xiàn)代工業(yè)、國防和高新技術(shù)等領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用。

高的硬度和耐磨性：聚晶金剛石的硬度高達10000HV左右，是目前世界上人造物質(zhì)中最硬的材料，比硬質(zhì)合金及工程陶瓷的硬度高得多，由于聚晶金剛石硬度極高，并且各向同性，因而具有極佳的耐磨性。

摩擦系數(shù)低：聚晶金剛石與一些有色金屬的摩擦系數(shù)比其它材料都低，約為硬質(zhì)合金的1/2左右。低的摩擦系數(shù)不僅使變形和切削力降低，而且使切削時不產(chǎn)生積屑瘤，因而降低了加工表面粗糙度。

導(dǎo)熱率高：聚晶金剛石的導(dǎo)熱率很高，比銀、銅還要好，比一般硬質(zhì)合金高得多，因此在切削過程中切削熱容易散出，故切削溫度較低。

加工精度高：由于聚晶金剛石刀具具有較低的熱膨脹系數(shù)和很高的彈性模量，因而在切削過程中刀具不易變形，在切削力的作用下刀具能保持其原始參數(shù)，長期保持鋒利，切削精度高。所以使用PCD刀具進行加工時，可以減小切削力和降低切削溫度，提高刀具耐用度和切削率，獲得良好的加工表面。

這幾種晶體可從以下幾方面簡單區(qū)別：

生產(chǎn)方法上：單晶金剛石是石墨和觸媒經(jīng)六面頂壓機合成；多晶金剛石是經(jīng)過爆炸法合成；制備金剛石多晶相對簡單，成本低，廣泛應(yīng)用于砂輪、磨料等領(lǐng)域。聚晶金剛石是把單晶金剛石與結(jié)合劑在高溫高壓下燒結(jié)而成的金剛石聚合物。

微觀結(jié)構(gòu)上：在金剛石的生長過程中會出現(xiàn)很多種晶面，如（100）、（110）、（111）面，若單獨按照某個晶面規(guī)律的外延生長，就形成單晶的，若是混合生長的就是多晶。

來源：DT新材料、磨料磨具、粉體圈

審核編輯：劉清