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硬度超天然金刚石 40%！六方金刚石如何改写超硬材料格局

文章来源：贤集网更新时间：2025-02-18 21:19:53

在材料科学这一广袤的领域中，超硬材料始终是备受瞩目的研究对象。其中，金刚石堪称超硬材料的杰出典范。它汇聚了众多卓越性能于一身，不仅具备极高的硬度，还拥有出色的耐磨性以及极高的热导率等优异特性。正因如此，金刚石不仅仅是深受人们喜爱的珍贵宝石，更被誉为“最锋利的工业牙齿”，在工业领域发挥着广泛且至关重要的作用。

近年来，随着科技的持续进步与发展，我国在人造金刚石领域的研究取得了一系列引人瞩目的成果，为超硬材料技术的不断发展注入了强大动力。值得一提的是，吉林大学与中山大学的相关科研团队紧密合作，在六方金刚石的合成方面实现了重大突破，这一成果无疑为超硬材料领域带来了新的曙光和广阔的发展前景。

1、六方金刚石合成：全新路径与重大突破

吉林大学物理学院高压与超硬材料全国重点实验室、综合极端条件高压科学中心刘冰冰教授、姚明光教授团队联合中山大学朱升财教授等开展的研究，取得了在超硬材料领域具有里程碑意义的成果。研究团队发现了高温高压下石墨经由后石墨相形成六方金刚石的全新路径，并首次成功合成出高质量的六方金刚石块体材料，同时发现其具备高出立方金刚石的极高硬度和良好的热稳定性。

早在 1967 年，美国科学家于陨石坑中发现了一种珍稀的 “超级钻石”，因其独特的六方晶体结构、与陨石共生的特性以及更为坚硬的特质而备受关注。然而，在过去的半个世纪里，人工合成纯相六方金刚石一直是科学界长期未能攻克的难题。

此次研究中，研究人员精心设计了高温高压实验，巧妙运用激光加温金刚石对顶砧技术，对石墨在 50GPa 超高压高温下的结构变化规律进行了原位研究。研究发现，石墨在高压力区间会形成一种名为 “后石墨相” 的高压结构，随后通过局部加热的方式，成功获得了六方金刚石。

具体而言，研究团队在 30GPa、1400℃的实验条件下，成功制备出了毫米级高取向的六方金刚石块材。对该六方金刚石块材的性能研究表明，其具备出色的物理性质。在硬度方面，其硬度高达 155±9GPa，超过天然金刚石硬度的 40% 以上；在热稳定性方面，在真空环境下其热稳定性可以达到 1100℃，明显优于纳米金刚石的 900℃。

研究团队进一步结合大尺度分子动力学理论模拟，深入揭示了石墨层堆叠构型对形成六方金刚石结构的关键作用，有力地证实了石墨经由后石墨相形成六方金刚石这一全新路径的科学性和可行性。这一成果不仅为纯相六方金刚石的人工合成提供了一种有效的途径，同时也给出了六方金刚石能够独立存在的有力证据，为超硬材料和新型碳材料家族增添了性能更为优异的新成员，为突破立方金刚石在应用上的局限提供了新的可能。

2、性能优势凸显：开启超硬材料应用新可能

六方金刚石所展现出的卓越性能，使其在超硬材料领域具有巨大的应用潜力。从硬度这一关键性能指标来看，其硬度超过天然金刚石的 40%，这一数据在超硬材料的应用中具有重要意义。

目前，金刚石在工业领域的主要用途之一是作为耐磨材料，广泛应用于磨料、磨具等方面。从超硬材料产业链人士的角度来看，若未来六方金刚石能够实现量产，按照其硬度指标进行测算，在相同的使用场景下，其用量相较于天然金刚石或立方金刚石有望减少 40% 以上。这不仅意味着在材料使用成本上可能会有显著的降低，同时也体现了六方金刚石在性能上的优势，能够以更少的用量实现相同甚至更好的使用效果。

除了硬度方面的优势，六方金刚石的晶体结构与一般的立方结构金刚石存在根本性的转变。这种结构上的差异，使得六方金刚石在其他性能方面也可能展现出独特的优势。从理论推测以及相关研究人员的分析来看，六方金刚石可能具有更好的导热性。这一潜在的性能优势，为其在未来的应用开辟了更为广阔的空间，尤其是在半导体散热等对材料导热性能要求极高的领域，六方金刚石有望发挥重要作用。随着半导体技术的不断发展，芯片的集成度越来越高，散热问题成为制约芯片性能提升的关键因素之一。六方金刚石若能应用于半导体散热领域，将为解决这一问题提供新的有效途径，推动半导体技术的进一步发展。

3、我国人造金刚石发展迅猛

近年来，我国在人造金刚石领域的技术突破呈现出频繁涌现的态势，不断推动着该领域的技术进步和产业发展。

去年 12 月，北京大学东莞光电研究院发布了一项最新研究成果。该院与南方科技大学、香港大学组成的联合研究团队，在金刚石薄膜材料制备和应用方面取得了重要进展。他们成功开发出了一种能够批量生产大尺寸超光滑柔性金刚石薄膜的制备方法。这一成果被视为在金刚石薄膜技术领域的一大飞跃，为未来金刚石薄膜在电子、光学等多个领域的应用提供了新的可能性。在电子领域，金刚石薄膜因其优异的电学性能和热学性能，有望应用于高性能电子器件的制备；在光学领域，其高透明度和良好的光学性能，可用于制备光学窗口、透镜等光学元件。

今年 2 月 10 日，宁波大学物理科学与技术学院潘益龙研究员联合燕山大学高压科学中心田永君院士团队及南京理工大学研究人员，成功合成出硬度达 276GPa 的超细纳米孪晶金刚石块材，再度刷新了材料硬度纪录。这一成果进一步展示了我国在人造金刚石领域的技术实力，也为超硬材料的研究和应用提供了新的方向和思路。

我国作为人造金刚石的主要生产国，在人造金刚石的产量方面占据着全球主导地位，人造金刚石产量占全球总产量的 90% 以上。在技术层面，我国自主研发的六面顶压机及整套生产技术处于国际领先水平。这些技术和产业上的优势，为我国在人造金刚石领域的持续发展奠定了坚实的基础，也为相关技术的进一步创新和应用提供了有力的支持。

4、产业化挑战与机遇

尽管我国在人造金刚石领域取得了众多令人瞩目的技术突破，但在将这些新技术转化为实际生产力，实现产业化的道路上，仍然面临着诸多挑战。

目前，人造金刚石的制备方法主要包括高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）。对于一些新的技术和材料，如六方金刚石或 CBN（立方氮化硼）的制备，面临着技术成熟度、设备材料匹配度以及成本控制等多方面的难题。以六方金刚石为例，其制备需要 10 万帕以上的压力，这比现在立方金刚石制备所需的压力高出一倍。能否实现产业化，关键在于所需的超高压设备及模具，需要综合考虑其技术经济指标是否具有可行性。如果设备和模具的成本过高，或者在实际生产中难以稳定运行，将严重制约六方金刚石的产业化进程。

从新材料开发的一般规律来看，国际上存在 “双十法则”（ten years, ten million），即新材料的开发通常需要十年的时间和千万级别的资金投入。在产业化过程中，还需要经过小试（实验室成果）、中试（小批量生产验证）、产业化（大批量工业化生产）这三个阶段。在这个过程中，不仅要解决关键设备及配套材料的问题，还需要降低生产成本、提高生产效率，只有这样，新技术才能真正实现大规模商业化生产和应用。

面对这些挑战，我国的人造金刚石相关企业已经积极行动起来。力量钻石、黄河旋风、惠丰钻石、国机精工、中兵红箭、四方达、沃尔德等人造金刚石主要企业纷纷加大了技术创新和研发投入。

中兵红箭的功能金刚石产品已可应用于半导体、光学、散热、量子等领域；力量钻石的全资子公司与台湾捷斯奥企业有限公司签订了半导体高功率金刚石半导体项目，致力于研究半导体散热功能性金刚石材料；光莆股份投资的化合积电公司的金刚石热沉片可用于芯片散热。这些企业的努力和布局，为我国人造金刚石产业的未来发展带来了新的机遇和希望，有望推动我国在超硬材料领域实现从技术突破到产业应用的跨越，在全球超硬材料市场中占据更重要的地位。

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