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  • 【轉載】人造金剛石行業的“黃埔軍?!泵闇柿税雽w新賽道

    • 發布時間:2022-07-22
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    我國金剛石單晶產量占全球總產量的90%以上,穩居世界第一。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實至名歸的“領航員”。


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


    河南的工業名片

    第一顆人造金剛石在這里誕生

    鄭州高新技術開發區梧桐街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,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略物資。為了保證自主安全,1960年,國家第一機械工業部設立了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。

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    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鰲頭。


    記者了解到,這臺六面頂壓機研發成功當年,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“鎮院之寶”。


    記者根據《2021年中國磨料磨具工業年鑒》相關統計數據了解到,2020年行業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,降到現在的3毛錢/克拉,三磨所研發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,也被業內人士譽為河南的一張工業名片。


    人造金剛石領域的黃埔軍校,助力多家上市企業

    “在應用領域,河南超硬材料企業創造的產值占全國同領域產值的50%以上。除了三大龍頭企業之外,河南還有200余家超硬材料及制品生產企業?!焙幽鲜】茖W技術協會主席呂國范介紹,柘城被譽為中國鉆石之都、金剛石微粉之鄉。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%。

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    記者梳理發現,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,河南鉆石上市企業有望迎來新一波擴容。


    而這些企業,都與三磨所這所“黃埔軍?!庇兄Ыz萬縷的聯系。


    三磨所從幾十平方米的“籌備處”,發展到現在擁有標準化廠房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(隸屬于上市公司國機精工)。


    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創新。其研發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”磨具領域,他們已經做到了在頭發絲上“跳舞”的境界。

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    舉個例子,在芯片加工領域,一個重要的環節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的高效精密超薄硅片劃片刀?!编嵵菽チ夏ゾ吣ハ餮芯克邢薰究萍及l展部部長孫冠男告訴記者說,“這種刀片的厚度是10微米,而一根頭發絲的直徑大約是80微米,我們的產品能夠做到在一根頭發絲上開7道槽?!?/span>


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


    行業風向標,已瞄準下一個賽道

    “以往,金剛石在工業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?!编嵵菽チ夏ゾ吣ハ餮芯克邢薰径麻L趙延軍在接受記者專訪時說。

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    三磨所針對金剛石高導熱性、透光性等性能,已經開發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,壽命是傳統電極的數十倍。


    “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?!壁w延軍向記者介紹,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,被行業譽為“終極半導體材料”??商娲F有硅、砷化鎵等半導體材料,引發半導體產業革命。


    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,想要實現芯片級金剛石的工業化,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性技術挑戰:在實驗室中研發成功后,還需經歷優化工藝和成本、應用等一系列產業化落地過程,預計需要10~20年的研發才有可能突破。


    頂端新聞·河南商報首席記者 郭丁然

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