聊聊CVD金刚石的工业应用前景


发布时间:

2023-03-14

自从两个月前写了关于“日本在终极功率半导体领域取得突破”的消息后,我们收到了很多伙伴的私信,要求我写一篇关于CVD金刚石工业应用前景的文章。说实话这是有难度的,我只能一边收集资料,一边陆续写了关于量子计算机和核聚变的内容,以便于更广泛地学习和了解相关信息。

       时至今日,在汇总了不同渠道的材料后,我斗胆撰写一篇短文,希望能给业内伙伴提供一定的参考。如有纰漏,还望海涵。

       可以肯定的是,CVD金刚石的未来是充满希望的。有三个主要的因素可以支撑这个观点:

       一、需求明确

       从现在的几个行业来看,CVD金刚石已经应用于机械加工、电子、光学、医疗设备等领域。从全球范围来看,这些行业的发展是必然的趋势,因此对CVD金刚石的需求无疑也会水涨船高。

       除此之外,航空航天、汽车、电子等行业需要不断突破自己现有的界限,所以对具有高导热性、电绝缘性和耐磨性的材料需求会不断增加。从材料角度来看,CVD金刚石很符合上述行业发展的需要。

       还有一些新兴的行业,如之前提过的量子计算机、核聚变发电,以及风力涡轮机、金刚石传感器(检测辐射用)、纳米金刚石电池(储能用)等等,也都是CVD金刚石发挥重要作用的领域。

       所以,无论是不断突破自我的传统行业,还是人类不断追求的新兴行业,都会带动CVD金刚石的需求。

       二、技术进步

       CVD的技术还有很大的进步空间,这是基本得到公认的事实。未来的企业将能够通过新的工艺和设备,以更低的成本生产尺寸更大、缺陷更少的金刚石晶体。这一点将使得CVD金刚石的广泛应用成为可能,也是奠定其庞大的市场规模的基础。

       三、国家诉求

       鉴于上述应用的广泛性和前瞻性、技术进步的可行性,以及市场前景的体量,与CVD金刚石行业相关的各国将会通过不同的政策,刺激该行业的发展,并引导更多的资本倾斜到这个行业上。近期印度的Budget 2023就是最好的证明,我们会持续观察印度CVD的发展情况(包括他们多次强调的“技术独立”等等)。

       顺便说一下,之前我曾经收到过一些质疑,认为我经常在文章中描述印度、日本及海外的情况,是否对自己国家的CVD发展信心不足?这里我要重点做个说明:钻石观察对中国的人造金刚石行业充满信心(包括高温高压和CVD),并认可咱们国家存在很多具有国际视野的优质企业(事实上我自己就认识不少)。

       之所以充满信心,其实这里面还有一定的历史原因。据了解,我国对于CVD金刚石的研究始于37年前开始的“863计划”,当时研究的是CVD金刚石膜。后来在“八五”和“九五”期间曾经设立了重大科研技术项目。直至“十一五”,CVD金刚石膜产业初步站稳脚跟。随后的发展状况业内应该都很清楚了,网上资料很多,此处不做赘述。

       总而言之,CVD金刚石的发展,可以被视作一种国家层面的诉求,源自对科技进步和工业发展的刚需。我认为,这种刚需在可预见的未来会继续保持。

       另外,通过阅读 Grand View Research、Markets & Markets 等机构出具的部分报告,我发现上述的各个应用行业未来五年的年复合增长率均超过7%,有的甚至会超过10%。因此,在这些刚需的支撑下,CVD金刚石未来的市场规模十分庞大。

       最后大概聊一个伙伴发来的问题:CVD工业应用是否会与消费应用(即珠宝首饰)相冲突?

       确实,在上游产能快速提升的大背景下,CVD毛坯和裸钻的价格在不断下探。我们每个星期都会针对全球几个重点的线上裸钻平台(库存和批发价格)进行统计汇总,每次得到的“最低折扣”基本都是CVD产品,并且折扣越来越深。

       这是无法避免的趋势,但我们需要理解的是,生产端和批发端的降价趋势,并不一定能100%传导至零售端,因为零售端的价格构成十分复杂,不是简单的材料成本定价模式。这里面涉及到每一个品牌、每一家公司的战略和战术,以及(目前尚未出现的)通用营销的影响。举一个简单的例子:2018年Lightbox就打出了800美元/克拉的零售价“标准”,但时至今日,有几家零售商是在这个“标准”的基础上卖产品的?

       另外,我个人认为,对于几乎所有消费品而言,在进入零售阶段之前,它们都可以算作“工业品”。但进入零售阶段之后,它们就是“消费品”、“高端消费品”,甚至是“奢侈品”。这不是智商税,是商业逻辑和市场规则。

       所以,CVD的工业应用是否会和消费应用相冲突?我觉得是不会的,因为前者强调的是材料特性,后者强调的是美的享受。

聚焦热点

金刚石微粉的主要应用

金刚石微粉作为一种超硬磨料,具有无比优越的研磨能力,日益受到各工业发达国家的高度重视。金刚石微粉的研磨能力包括对工件的磨削能力和它本身的耐磨损和抗粉碎能力,取决于其显微硬度、粒度、强度、颗粒性状以及热稳定性和化学稳定性。概括起来说,金刚石微粉用作磨料有三大方面; (1)用于树脂粘结工具、金属粘结工具以及电镀工具的制造。 (2)用于工业上、科学上和医学上各种精密元器件的精密或抛光加工。 (3)作为精细磨料用于模具加工、宝玉石抛光加工、宝石轴承加工制造。 金刚石微粉的应用除了用作研磨材料之外,另一大用途就是用作功能材料。例如利用其热学性质和电学性质等。用金刚石微粉混合到热固性树脂聚合物、纤维素、酚酸树脂或者陶瓷片之中,可制成一种具有提高热导率和降低热膨胀性的新材料。把金刚石微粉混合到金属片,如片或不锈钢片可制成具有热导率高、热膨胀性低而重量轻的新型片状材料,在电子工业中可做成高密高能器件用于热控制。 从金刚石用作研磨材料的形式来说,根据有关资料公布的数字,全世界在工业上消耗的金刚石微粉60%以上是用来制成钻石膏、金刚石微粉混合物和金刚微粉研磨液。

纳米金刚石的用途之精密仪器的超精抛光

我们将纳米金刚石加入到介质当中制成纳米金刚石抛光液,现在主要分为水性抛光液及油性抛光液。 由于纳米金刚石抛光液中纳米金刚石粒子超硬超硬,用它可以去除材料表面细小的凹凸不平,抛光后材料表面的粗糙程度可降低到纳米级,从而使得材料表面光洁度极高。目前纳米金刚石抛光液可用于半导体硅片抛光、计算机磁头的抛光、精密陶瓷加工、宝石抛光、光学玻璃抛光加工等领域。 现在由于计算机的发展,人们对计算机存储的容量要求不断提升,这使得我们要去制造容量更大的磁盘。近年来计算机磁盘储存容量也一直在提高,但是随着储存容量的提高,带来的问题是磁盘与磁头间隙越来越小,已趋近于10NM,磁头和磁盘的表面粗糙度、划痕和杂质粒子均会对计算机磁盘造成损害,由于磁盘与磁头的间距已经到了纳米级,微米级的抛光液已经达不到抛光要求,所以只有纳米级的金刚石抛光液可以满足这一方面的要求。我们拿来纳米金刚石抛光液对计算机磁头进行抛光,发现经过抛光后确实大大提高了磁头表面的光洁度,测得此时的表面粗糙程度为0.09~0.40nm,而采用普通抛光液抛光后磁头的表面粗糙程度为0.45~0.80nm,相比之下纳米金刚石抛光液的效果要好得多,从而计算机磁头的质量也得到提升,我们就可以生产出更精密,储存容量更大的计算机磁盘。抛光时值得注意的是,由于计算机等电子产品最忌腐蚀的产生,所以一定要控制好抛光液的酸碱度,研究发现抛光液的PH 值控制在6.5~8之间较为适宜。由于阴离子Cl-和SO2-的含量会决定抛光液的酸碱度所以在制备用于计算机磁头抛光的抛光液时要控制好Cl-和SO2-的含量,同时注意观察PH值。

山东金属粉末液压机的特性

山东金属粉末液压机适用于粉末干式压制的全自动控制成型,广泛应用于电子、粉末冶金、软磁工业、导电干式压制成型、化工、汽车制造、医药、能源环保工业、玩具工业等。适用的干压粉末包括:黑色和有色金属粉末、电子陶瓷粉末、铁氧体、稀土粉末、硬质合金粉末、PTFE、金刚石和石墨粉末等。 山东金属粉末液压机液压传动系统由动力机构、控制机构、执行机构、辅助机构和工作介质组成。动力机构通常采用油泵作为动力机构,一般为一体式油泵。为了满足致动器运动速度的要求,选择一个或多个油泵。低压齿轮泵;中压叶片泵;高压柱塞泵。各种塑料材料的压力加工和成形,例如不锈钢板和钢板的挤压、弯曲、拉伸以及金属零件的冷压,也可用于粉末制品、砂轮、电木和树脂热固性制品的压制。