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我国CVD金刚石发展状况

发布时间:2016-06-03??来源:365微盘体育_365体育安卓_365体育平台??

? ? ? ?在国内,CVD金刚石的研究始于上世纪八十年代中期。吉林大学邹广田教授为负责人的课题组于1985年获吉林省科委重点项目资助,开始金刚石薄膜研究,1987年4月采用热灯丝低压CVD方法制备出国内第一片金刚石膜。
  我国1987年开始实施国家863计划,当时该计划分为七个领域。其中在新材料技术领域列有金刚石薄膜研究课题。1987年(七五项目)经863专家组审批由吉林大学,人工晶体所,四川大学和北京理工大学等四个单位承担了金刚石薄膜的制备及应用研究课题。国家863计划的实施,为我国金刚石薄膜研究的发展提供了好机会。七五期间我国的金刚石薄膜研究取得长足发展,得到国际同行的关注,而且国内从此很多单位开始了金刚石膜的研究,掀起了金刚石膜的研究热。八五期间(1991年开始)金刚石膜研究由研究课题提升为研究专题,最多时由14个单位承担,吉林大学金曾孙教授任专题负责人。这期间每年进行评估,实施吐故纳新,没做好的出去,做好的请进来,使我国金刚石薄膜研究得到了飞快发展,其研究内容和研究水平都得到国际同行的认可。当时科技部和863专家组对金刚石膜研究专题的工作给予了高度评价,认为“研究有特色,切合我国实际”。九五期间863专家组认为应考虑金刚石膜产业化,因此这期间由吉林大学,人工晶体所和北京科技大学三个单位承担。人工晶体所负责金刚石膜刀具的产业化,吉林大学负责发展热阴极方法和热学方面应用,北京科技大学负责发展直流喷射法。十五期间吉林大学继续承担了863项目,深化电学方面的应用研究。
  七五和八五期间如下单位承担过863计划研究课题:吉林大学、人工晶体所、北京理工大学、四川大学、北京科技大学、天津理工大学、郑州三磨所、上海交通大学、合肥工业大学、郑州大学、北京物理所、成都工具研究所、安徽等离子体所、中国科技大学、长春物理所、牡丹江光电所、西安交通大学等。
  一、吉林大学
  时任吉林大学原子与分子物理研究所所长的邹广田教授于1984年2月组建了金刚石薄膜研究组,研究组经过一年多的奋斗,1986年自行设计研制了国内第一台热灯丝CVD金刚石薄膜制备装置,用这台装置经过一年左右的工艺实验,在1987年4月合成了我国第一片CVD金刚石薄膜,填补了国内空白。培养了此领域20余名博士生和硕士生,取得了一批重要科研成果,其中多项成果达到国际先进水平。
  七五到十五期间,吉林大学邹广田教授等在国家863计划等的大力支持下建立了电子增强热丝CVD、直流热阴极CVD和微波CVD方法,用电子增强热丝CVD法制备出大尺寸高导热金刚石厚膜,用直流热阴极CVD法实现了高品质金刚石膜的快速生长,用微波CVD方法制备出高导热高绝缘高取向的的大尺寸金刚石薄膜。解决了金刚石膜表面金属化,研磨和切割等问题,实现了金刚石膜热沉在半导体激光二极管列阵上的应用。解决了Si片键合和减薄技术,制作了用金刚石薄膜的SOD抗辐射基板和电子器件,明显提高了其抗辐射和耐高温能力。吉林大学李红东教授等于2008年在国内首先开展了同质外延CVD金刚石单晶快速生长,速率可达50200 μm/h,生长出大尺寸近无色透明单晶金刚石,并应用于高精密切削刀具和大功率微波窗口等领域,部分成果达到了国际先进水平。
  近年来,吉林大学加大了超硬精密加工刀具的应用研究,取得了重要突破,得到实际应用和产业化推广。开发了CVD金刚石、PCD金刚石和CBN等多个系列超硬精加工工具新产品,以长春八方金刚石科技有限公司为载体,建立了产、学、研、用一体化的应用开发模式。形成了4个系列的超硬工具产品,超硬刀具、砂轮修整工具、石材刻刀、打标机的金刚石针头。这些工具已经在汽车、轨道客车、航空、石材雕刻等领域得到广泛的实际应用,为大中型企业解决了多项技术难题,大幅度提高了生产效率和降低加工成本。近年来完成多个重点项目和获得多个重要奖项:1、“金刚石厚膜工具的研发及产业化”吉林省科技计划重点项目,2010年通过成果鉴定;2、“CVD金刚石精加工工具”项目是与企业联合获得科技部中小型企业创新基金项目,2011年通过鉴定;3、“碳素与超硬功能薄膜材料”项目成果获2008年度“吉林省科学技术奖 一等奖”;4、“高性能金刚石工具”项目成果获2010年度“吉林省科技进步二等奖”。
  二、北京科技大学
365体育平台365体育安卓365微盘体育  北京科大也是我国最早开展CVD金刚石膜研究的单位之一,主要负责人为吕反修教授。1988年研究起步,从1991年开始和河北省科学院紧密合作进行DC Arc Plasma Jet设备和工艺研究。在863计划“八五”重大关键技术项目支持下,于1995年底建成了100千瓦级DC Arc Plasma Jet CVD系统,于1996年初通过国家科委组织的专家鉴定。在863计划“95”重大项目支持下,于1997年底国内首次制备出光学级(透明)金刚石膜。在863计划以及预研,配套和自然科学基金等项目的持续支持下,经过十几年的艰苦努力,目前已经形成系列化的,可用于科学研究和大规模工业化生产的金刚石膜大面积,高质量,低成本制备设备。合作研发的高功率DC Arc Plasma Jet CVD金刚石膜沉积系统,采用了独特的磁控旋转电弧等离子体炬(发明专利)和半封闭式气体循环系统,具有独立知识产权和我国特色。目前已经达到的水平为:沉积面积:最大120mm; 沉积速率:10-30m/h;最大厚度:3mm;Raman半高宽:2.6cm-1(光学级);氮含量:1.6ppm(光学级);8-12m透过率:70.6%(光学级,60x0.6mm窗口样品);热导率:12-20W/cm.K(热沉级和光学级);Tan:1.6x10-4 (35GHz); 断裂强度:≧300MPa;断裂韧度:6–10 MPam1/2;砂蚀速率: 1.6x10-3mg/g(180目SiC沙粒,134m/s); 激光损伤阈值:6-7J/cm2(YAG脉冲激光),1.15–2.26MW/cm2(CO2连续激光);抗氧化性能:800℃,3分钟,8–12m透过率下降小于3%,施加Y2O3防护涂层可将短时使用温度提高到900℃以上;抗热震性能:瞬时温差1300℃不炸裂。已可满足许多重要高新技术应用要求。
  北京科大在气体循环条件下,采用高功率DC Arc Plasma Jet CVD系统制备大面积光学级金刚石自支撑膜迄今为止仍是国内外唯一成功案例。研究组已在国内外学术刊物发表相关研究论文300余篇,获得专利20多项。曾获北京市科技进步二等奖和全国发明展览会金奖。
  2009年和河北省科学院合作成立河北普莱斯曼金刚石科技有限公司。目前拥有30千瓦级生产型DC Arc Plasma Jet CVD系统30余套,产品涵盖工具级,热沉级和光学级金刚石自支撑膜产品。产能超过3百万立方毫米/年。产品绝大部分销往欧美,近年来国内销售亦逐步增加。国内目前至少已有50余套DC Arc Plasma Jet CVD系统在10余家大专院校,研究院所和企业运行,已经成为CVD金刚石膜研究和工业生产的主要技术之一。
  近年来,北京科大在微波等离子体CVD技术方面也取得了长足进展。在微波腔体模拟和新型微波等离子体CVD金刚石膜沉积设备研制方面已有所突破。成功地研制了8千瓦级椭球腔微波等离子体CVD装置和改进的“下耦合可调谐谐振腔式”微波等离子体CVD装置,显着地缩小了我国在此领域与国外水平的巨大差距。
  以北京科大和河北普莱斯曼金刚石科技有限公司为依托,已建立北京研发中心(北京普莱斯曼金刚石科技开发有限公司),旨在加速金刚石膜高端技术应用的开发。
  三、北京人工晶体研究院
  北京人工晶体研究院金刚石膜研究于1987年开始起步,同年下半年国家高科技计划(863计划)列项后,自1987年至2000年的“七五-九五”计划期间,一直是国家"863"计划中该项研究的主要承担单位之一。
  在国家“863“计划的引领和支持下,承担了该计划新材料领域重大关键技术项目“金刚石膜工具应用” 、新材料领域重大项目“工具用金刚石膜产业化关键技术”课题研究。并根据国际CVD金刚石技术、应用的发展动向和我国的技术、市场的具体情况以及承担单位具体分工,北京人工晶体研究院主要分工进行热丝CVD金刚石工具应用的产业化关键技术研究,在热丝法产业化生长技术、加工技术以及金刚石膜工具产品应用研究和市场开发取得了成功。
  项目成果转化和金刚石膜工具产业化也获得很大进展。1996年与南京天地集团合资建立了北京天地东方金刚石技术有限责任公司(现更名为北京天地超硬材料股份有限公司),初步构造了金刚石膜的产业化模式。该公司是国内首个以金刚石膜技术和应用研究开发为主的股份制企业。实现了从实验室技术到生产技术的转化,建立了从金刚石厚膜材料生长、加工至金刚石厚膜工具产品生产线。形成了产品市场开发了多门类数十种规格品种工具产品技术,并形成了规模。
  公司1998年与上海同济大学声学所共同承担国家自然科学基金“金刚石膜声学特性的激光超声研究”项目并与德国海德堡大学合作,采用激光超声技术成功测定了金刚石厚膜的纵波声速和声表面波速度,为十五和十一五军工应用的极高频声表面波技术和器件奠定了基础。
  晶体院金刚石膜研究成果多次获得国家的表彰,1998年获得科技部颁发国家科技进步二等奖(获奖项目:“工具用金刚石膜制备及其应用开发),1997年获得国家建材局颁发的部级科技进步一等奖(获奖项目:“金刚石膜制备及工具热沉应用”)。金刚石工具产品还申请了4项国家专利。
  多年以来已研制了实用化高速度、大面积热丝法CVD金刚石厚膜生长技术和设备并具备产业化的能力。独特的直丝张丝结构,生长面积、生长速率、生长质量等主要技术指标以及设备及膜片低的制作成本等技术经济指标均达到该技术国际先进水平。同时研究开发了CVD金刚石膜材料的关键加工技术,完成了金刚石厚膜的激光切割,高精度、高光洁度研磨抛光加工及真空焊接等各项技术,为实现工具产品的应用开发奠定了基础。
  由人工晶体研究院控股的北京天地超硬材料股份有限公司,多年来完成了多种金刚石膜工具产品研究和市场开发。研发了五个门类金刚石膜工具的产品技术,它包括金刚石膜刀具、金刚石膜拉丝模工具、金刚石膜砂轮修整工具、金刚石膜耐磨部件以及金刚石膜光学加工工具。金刚石膜工具已广泛的用于各种工业和高科技用现代材料加工。它们包括:有色金属、铝基轻质高强度复合材料、复合碳纤维材料、强化复合木质材料、包括钢铁在内的大部分金属丝材以及包括纳米、微米粉料的处理等。在汽车行业,电机工业、航天工业、轴承行业、机床工业、电子信息行业、家电行业、胶片制造、食品工业、金银首饰行业、金属线材和丝网工业、制粉工业食品工业、木材和室内装饰行业等等国民经济的民用和军事工业部门得到应用。部分工具应用开发处于国际先进水平。目前该技术已成为公司主要经济支柱之一。
  四、上海交通大学
  早在1987年,上海交通大学就开始从事低压气相合成金刚石薄膜的研究工作,张志明教授等在国内较早建立起金刚石薄膜涂层研究基地, 连续承担了“七五”、“八五”、“九五”和“十五”期间国家863计划新材料领域关于CVD金刚石薄膜的研究工作。1996年至2000年,已先后完成了863项目“CVD金刚石涂层技术”及上海市科委发展基金项目“CVD金刚石涂层刀具在汽车工业中的应用”、“金刚石涂层拉丝模应用开发研究”等多项科研项目。在国内外首创用直拉穿孔热丝CVD法制备得到金刚石涂层拉丝模,质量稳定,在实际生产线上拉拔电焊条试验表明,拉丝模寿命可提高5-10倍。
  2002年至今,上海交通大学承担国家863重大专项和上海市科委纳米专项 “纳米金刚石复合涂层的应用与产业化”项目,在国际上首先把化学气相沉积CVD金刚石薄膜制备技术应用于拉拔模具,并实现了产业化生产,产品已在500多家生产企业应用,为应用企业带来了显着的经济效益 ,建立了国内第一个金刚石涂层产品的企业标准,其中“纳米金刚石复合涂层技术的开发与应用”获得2007年上海市科学技术进步奖二等奖。“大孔径金刚石涂层拉拔模的制备方法”获得2007年第十届中国专利奖优秀奖、获2006年第四届上海市发明创造专利奖发明专利奖一等奖。
  上海交通大学在复杂基体表面的预处理和CVD涂层工艺方面也取得突破性成果,开发出适合于复杂形状刀具基体的实用化的化学机械复合表面预处理技术,研制了适宜于硬质合金复杂形状刀具基体CVD涂层装置等,相关研究和成果多次被评为国家自然科学基金优秀结题项目,主持的国家863计划重点项目子课题“金刚石涂层复杂刀具制备及其在复合材料高效加工中应用”、上海市科技创新行动计划纳米专项“复杂形状纳米金刚石薄膜涂层刀具的开发与应用”、国家中小型企业创新基金“陶瓷基金刚石复合涂层工具”等多项相关科研项目,并顺利通过验收,主持的上海市科技创新行动计划技术标准专项“金刚石薄膜涂层产品技术标准的研究”项目已通过验收并获得工信部行业标准立项。
  上海交通大学同时还成立了上海交友钻石涂层有限公司,致力于CVD金刚石涂层产品的应用产业化,已形成了从设备制造到产品开发一整套技术研究开发体系,目前公司可满足各类化学气相沉积合成金刚石涂层产品开发需要。
  五、上海大学
  上世纪80年代,在夏义本教授的带领下,上海大学(原上海科技大学)开始采用化学气相沉积(CVD)法生长金刚石薄膜。1995年在国家自然科学基金和上海市的资助下,首先成功地在氧化铝陶瓷基片上沉积金刚石薄膜,同时进行了将该复合材料用于高频、高功率密度集成电路封装基片的工作。 “大面积金刚石薄膜制备及应用研究”重点项目于1996年通过上海市科委鉴定。“金刚石薄膜的选择性定向生长研究”重点项目于2001年通过上海市教委鉴定。2002年底完成国际合作项目—上海应用材料研究与发展(AM)基金项目“适应超大规模集成电路的金刚石薄膜/氧化铝陶瓷复合基片材料”。“适应超高速、大功率集成电路的金刚石薄膜/氧化铝陶瓷复合基片材料”成果,获2003年度上海市科技进步奖三等奖。
  2001年起在国家自然科学基金和上海市科委的资助下,在国内率先开展了金刚石薄膜在高能粒子(射线)辐射探测器中的应用研究。上海市科技攻关项目“金刚石薄膜粒子探测器的研究”,于2003年通过上海市科委鉴定。国家自然科学基金项目“高分辨率X射线成像—微条气体室的研制”于2003年完成,该工作首次报道了采用金刚石薄膜/硅复合材料作为微条气体室(MSGC)的衬底,可以有效克服传统衬底的电荷积累问题。2004年在国际合作项目(AM)基金的资助下,开展了金刚石薄膜粒子探测器芯片1128读出集成电子学系统的设计研究。2005年底完成国家自然科学基金项目“高速、强抗辐照粒子探测器的研究”,成功开发了Au/[001]金刚石薄膜/硅/Al单元探测器,以及CrAu复合电极微条宽度和间距均为25μm的1×128微条探测器,基金委专家对该项目结题的评价为“特优”。?
  2008年底完成国家自然科学基金项目“金刚石薄膜紫外光探测器的设计和工艺研究”,通过改善金刚石薄膜的质量和改进器件结构即采用共面栅结构明显提高了紫外探测灵敏度和紫外/可见分辨率。2009年起得到国家自然科学基金项目的资助,开展基于金刚石薄膜的场效应光敏晶体管(OP-FET)的研究。2011年、2012年连续获得国家自然科学基金项目的资助开展强磁场下金刚石薄膜的制备和硼(10B)/金刚石薄膜复合结构的制备及中子阵列探测技术研究。
  2000年10月上海大学举办了2000年度亚太地区金刚石材料与电子器件国际会议,夏义本教授担任会议主席。上海大学于2010年12月27-29日和2012年6月18-20日,成功举办了两届“CVD金刚石趋势与挑战”中俄双边研讨会,促进了中俄两国在该领域的交流,推动了国内CVD金刚石研究的发展。
  六、CVD金刚石生产企业
  经过近10年的发展,国内金刚石的制备、应用及产业化方面取得了很大的的成就,经历了从无到有,从小到大的发展,并且具有十分广阔的市场需求和发展空间。主要厂家有北京希波尔科技发展有限公司、北京天地东方超硬材料股份有限公司、河北普莱斯曼金刚石科技有限公司、深圳雷地科技有限公司、上海交友钻石涂层有限公司、长春八方金刚石科技有限公司等。?(本文节选自《中国超硬材料工业五十年》)