金剛石工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

1．機(jī)械加工工業(yè)

金剛石磨具是磨削硬質(zhì)合金的特效工具。最大的成功是利用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪刃磨硬質(zhì)合金刀具，包括車刀、銑刀、拉刀、鉸刀、滾刀、鉆頭的刃磨，推動(dòng)了刀具硬質(zhì)合金化的發(fā)展。同時(shí)，還適用于磨削硬質(zhì)合金量具、模具、夾具以及其他硬質(zhì)合金工件。

刃磨硬質(zhì)合金車刀時(shí)，每磨除1g金屬要消耗綠碳化硅磨料4~15g，而金剛石僅消耗2~4mg。金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金比普通砂輪磨削比高1000倍，成本降低10％以上。金剛石砂輪刃磨硬質(zhì)合金刀具，可以避免用碳化硅砂輪加工時(shí)容易產(chǎn)生的裂紋、鋸口等缺陷，加工出的刀具粗糙度和精度高，刀具壽命可延長50%~100%，而且可以省掉刃磨后的拋光工序，生產(chǎn)效率可提高數(shù)倍。

汽車制造工業(yè)中，用金剛石磨具取代普通磨具獲得了明顯的效果。用金剛石磨石珩磨汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸時(shí)，一塊金剛石磨石相當(dāng)于300塊碳化硅磨石；加工表面粗糙度（Ra）由0.8~0.4 μm 提高到0.2~0.1 μm，汽缸橢圓度和錐度從0.03 mm減少到0.015~0.02 mm。

金剛石磨具磨削合金工具鋼時(shí)，磨削比比普通砂輪提高10倍以上，成本下降10%，還避免了用普通砂輪加工容易引起的燒傷現(xiàn)象。

2．電子電器工業(yè)

硬而脆的貴重半導(dǎo)體材料，如硅、鍺、砷化鎵、磷化鎵等，欲制成小片狀的半導(dǎo)體器件，需要切割和研磨加工。使用鋼絲鋸切割效果不佳，切口損耗也大；激光切割尚未進(jìn)入廣泛實(shí)用階段。目前，最合適的方法是用金剛石切割鋸片加工。用金剛石研磨膏拋光半導(dǎo)體材料，不僅效率高，而且可達(dá)到最高一級表面粗糙度0.006μm。

金剛石拉絲模可拉制電子電器工業(yè)用的超細(xì)金屬絲導(dǎo)線，精度可達(dá)到1~2μm，比硬質(zhì)合金拉絲模壽命長200多倍。

電器工業(yè)上使用的夾布膠木和環(huán)氧樹脂纖維板等非均質(zhì)絕緣材料，用金剛石薄片砂輪加工，廢品少、效率高、成本低，解決了用其他工具切割時(shí)存在的燒傷、表面粗糙度差、尺寸不準(zhǔn)、廢品多、效率低等各種難題。

在加工硬脆的鐵氧體磁性材料以及高硬度的電絕緣陶瓷材料方面，金剛石工具同樣是最有效的工具。例如，可加工含剛玉35％的高壓電瓷（用SiC也很難加工的材料）。

3．光學(xué)玻璃和寶石加工業(yè)

以前利用碳化硅加工光學(xué)玻璃，效率低，勞動(dòng)條件差?，F(xiàn)在已經(jīng)全部采用金剛石磨具加工，包括下料、套料、切割、銑磨、磨邊以及凸凹曲面的精磨，綜合生產(chǎn)效率提高數(shù)倍至數(shù)十倍。隨著金剛石成本的降低，除了光學(xué)和精密玻璃器件外，許多本來用普通磨料加工的一般性玻璃制品（如汽車窗玻璃等），現(xiàn)在也都用金剛石加工。

在加工寶石、瑪瑙、玉器等方面的應(yīng)用，也具有類似的效果，金剛石工具是不可缺少的。

4．鉆探與開采工業(yè)

在石油、煤炭、冶金、地質(zhì)勘探等鉆探和開采方面，廣泛使用金剛石鉆頭。由于其硬度高、耐用性好，不僅能鉆進(jìn)最硬的巖層，而且起鉆次數(shù)少、鉆進(jìn)快、井斜小、可小口徑鉆進(jìn)、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約鋼材，比用硬質(zhì)合金鉆頭總成本反而降低。

5．建筑與建材工業(yè)

在大理石、花崗石、人造玻化磚、混凝土建筑材料的切割加工和磨削加工方面，廣泛使用金剛石工具，如大型圓鋸和排鋸、中等切邊鋸片、小規(guī)格的干（濕）切割片以及金剛石繩鋸等。此外，還有金剛石磨輥和磨邊輪，用于板材磨面和磨邊。

在石材開采、鋸切、磨光及現(xiàn)場施工全過程中，石材加工效率隨著這些新型金剛石工具的應(yīng)用而成倍提高。

在涂附磨具方面，金剛石砂帶以尼龍為基體，金屬切除量比普通砂帶高出100倍。

6．金剛石作為功能材料的應(yīng)用

（1）光學(xué)

人造金剛石可廣泛應(yīng)用于激光光學(xué)元件，如CO2激光器、光束傳輸系統(tǒng)（像分束器和布魯斯特窗）、VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）及拉曼激光器的輸出耦合器和出射窗。

激光光學(xué)元件綜合運(yùn)用人造金剛石的光學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，使CO2激光器實(shí)現(xiàn)最高功率，且不會因熱透鏡效應(yīng)損失光束質(zhì)量。由于人造金剛石極其堅(jiān)硬，因此比較薄的窗口也可以抵抗一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力差，同時(shí)還能保持最低的吸收水平。人造金剛石的耐用性保證了其光學(xué)性質(zhì)在極端條件下也能夠保持很長時(shí)間。

(2）聲學(xué)

具有復(fù)雜形狀的特定厚度CVD（化學(xué)氣相沉積）金剛石材料，用以生產(chǎn)具有優(yōu)異聲學(xué)特性的球頂形聲學(xué)元件，成為高性能揚(yáng)聲器的一個(gè)組件。CVD金剛石擴(kuò)音器可達(dá)到70kHz的頻率。英國寶華韋健公司（Bowers&Wilkins）將人造金剛石高音振動(dòng)膜用于其旗艦800系列揚(yáng)聲器產(chǎn)品中，從而締造出無與倫比的清澈、高保真音質(zhì)。

(3）熱學(xué)

人造金剛石最早是作為熱沉材料應(yīng)用在電信行業(yè)的敏感電子元件上的?，F(xiàn)已開發(fā)出聚晶／多晶金剛石和人造金剛石復(fù)合材料，并廣泛用于熱管理領(lǐng)域。Diafilm 200產(chǎn)品是全球首款熱導(dǎo)率超過2000 W/(m.K）的人造金剛石熱管理材料。這一新型高端CVD金剛石材料可滿足高級用戶在高功率及高功率密度設(shè)備方面對封裝熱管理的極端性能需求。

(4）輻射探測器

人造金剛石是輻射探測應(yīng)用的想材料。滿足各種苛刻輻射探測應(yīng)用的系列電子級CVD金剛石產(chǎn)品（包括單晶及多晶金剛石晶片），可用于高能物理、醫(yī)療放射劑量監(jiān)測、民用中子核輻射水平探測、國土安全以及地球物理勘探等領(lǐng)域。例如，元素六人造金剛石已經(jīng)被用作歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)大型探測器CMS和ATLAS的重要組件，該對撞機(jī)的研究中新近發(fā)現(xiàn)了與希格斯玻色子一致的新粒子。

(5）傳感器

將人造金剛石的極端特性應(yīng)用于特定市場的傳感器。這里說的"傳感器"是一種電化學(xué)傳感器，對金剛石電極材料進(jìn)行硼摻雜以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性，金剛石電極與流體接觸，并被用來測量流體中存在的化學(xué)雜質(zhì)。

人造金剛石的所有極端特性，特別是它的硬度、耐磨性和化學(xué)惰性，都可以應(yīng)用在傳感器上。與其他任何傳感器相比，人造金剛石的性能使其對水中更廣范圍的雜質(zhì)更敏感。人造金剛石有望成為污染物探測器的首選，應(yīng)用于各種環(huán)境中可能會危害健康的污染物探測。

(6）量子／磁力測定

在量子應(yīng)用中，人造金剛石作為雜質(zhì)或瑕疵的宿主，扮演固態(tài)原子陷阱的角色。這些雜質(zhì)（如氮空位缺陷）的量子特性可被單獨(dú)操控，也可以相互影響，而且可通過這些雜質(zhì)中所發(fā)出的光子讀取它們的量子信息。與其他材料相比，人造金剛石的優(yōu)勢在于其寄宿缺陷的量子特性可以在室溫下被操控和探測。在量子計(jì)算中，人造金剛石可以用作量子位元或量子位（類似于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的1和0)，有望使量子計(jì)算機(jī)解決標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)無法解決的問題。

(7）半導(dǎo)體

金剛石可作為間接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度約為5.5eV，熱導(dǎo)率高達(dá)2 200W/(m.K),室溫電子和空穴遷移率高達(dá)4 500 cm2/(V ·s)、3 800 cm2/(V.s)，遠(yuǎn)高于第三代半導(dǎo)體材料GaN和SiC，因此金剛石被業(yè)界人士認(rèn)為是終極半導(dǎo)體材料。但是金剛石半導(dǎo)體目前所面臨的困難仍有很多，例如，尺寸較大的高質(zhì)量金剛石半導(dǎo)體材料制備困難，n型半導(dǎo)體摻雜問題，等等。但是隨著新技術(shù)、新方法的產(chǎn)生，金剛石器件的研發(fā)取得了一定的成功，所制備的金剛石器件性能也在不斷地提高，特別是在二極管和開關(guān)器件上取得了一定程度的發(fā)展。

(8）環(huán)保

摻硼金剛石（BDD）可以作為環(huán)保的新型電極材料。BDD膜電極在水溶液和非水溶液電解質(zhì)中均有很寬的電位窗口，BDD膜電極在電化學(xué)反應(yīng)中，電流密度高，具有極低的背景電流值和很好的化學(xué)惰性，表面不易鈍化，抗污染能力和抗中毒能力強(qiáng)，在高強(qiáng)度環(huán)境中顯示了較長的使用壽命。在水中以這種材料作為陽極對染料、農(nóng)藥、抗生素等多種難降解的有機(jī)污染物和大分子物質(zhì)等都表現(xiàn)出了很好的去除效果，并且可以使用適配體來增強(qiáng)其特異性。BDD膜電極還在微量化合物成分檢測方面表現(xiàn)出極高的靈敏性和可重復(fù)性。

(9）生物醫(yī)學(xué)

金剛石，因其具有極好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，良好的生物相容性，極高的硬度，可以作為手術(shù)用刀具，所產(chǎn)生的傷口較小，容易愈合，目前廣泛用于神經(jīng)外科、骨科、眼科等。此外，金剛石也可作為醫(yī)用植入物的涂層起到防止植入物釋放有害離子，提高植入物生物相容性的作用。

納米金剛石，因其物理化學(xué)穩(wěn)定性好、生物毒性低、表面官能團(tuán)多，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，包括載藥、標(biāo)記、蛋白質(zhì)分離、抗癌治療、殺菌等。例如，胺化納米金剛石用于癌細(xì)胞的標(biāo)記，其對于細(xì)胞的毒性較小且發(fā)射出的熒光穩(wěn)定性較好；或使用納米金剛石與抗癌藥物結(jié)合，能提高靶向性，有效降低藥物的副作用。

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河南合贏激光，目前圍繞著河南的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)—超硬材料，金剛石材料行業(yè)，目前已經(jīng)開發(fā)了鉆石激光切割機(jī)、鉆石同軸視覺激光打標(biāo)機(jī)、CVD內(nèi)腔激光清洗機(jī)、PDC-3D激光雕刻機(jī)（金剛石復(fù)合片3D激光雕刻機(jī)）、PCD激光研磨減薄機(jī)、PCD激光切割機(jī)、PCD缺陷識別激光標(biāo)記機(jī)等設(shè)備，歡迎大家垂詢。

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