我國(guó)金剛石單晶產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的90%以上，穩(wěn)居世界第一。其中，河南人造金剛石產(chǎn)量占到約80%，河南已經(jīng)成為全球超硬材料行業(yè)實(shí)至名歸的“領(lǐng)航員”。
河南在金剛石領(lǐng)域的突出表現(xiàn)，還要?dú)w功于河南的一家研究所。如今，他們憑借前瞻性思維，瞄準(zhǔn)了金剛石優(yōu)秀的光電特性，希望在半導(dǎo)體等未來(lái)產(chǎn)業(yè)，繼續(xù)換道領(lǐng)跑。
河南的工業(yè)名片
第一顆人造金剛石在這里誕生
鄭州高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)梧桐街121號(hào)，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(guó)在世界金剛石領(lǐng)域的地位。
1958年，國(guó)家籌建鄭州磨料磨具磨削研究所。因?yàn)閷Ｗ⒂谀チ?、磨具、磨削的研發(fā)，所以就有了“三磨所”這個(gè)俗稱。研究所就建在二砂廠(中國(guó)第二砂輪制造廠)內(nèi)，定位為全國(guó)各砂輪廠的共同科研單位。
當(dāng)年，國(guó)內(nèi)砂輪廠的核心原料人造金剛石為國(guó)外對(duì)中國(guó)禁售的戰(zhàn)略物資。為了保證自主安全，1960年，國(guó)家第一機(jī)械工業(yè)部設(shè)立了121號(hào)研究課題：研究人造金剛石，并把這個(gè)重要的課題交給了鄭州三磨所。
1963年三磨所成功研制中國(guó)第一顆人造金剛石。1965年三磨所研發(fā)出我國(guó)第一臺(tái)六面頂壓機(jī)，它基于我國(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、獨(dú)特的“六面頂”設(shè)備及工藝，獨(dú)占世界超硬材料產(chǎn)業(yè)鰲頭。
頂端新聞·河南商報(bào)記者了解到，這臺(tái)六面頂壓機(jī)研發(fā)成功當(dāng)年，金剛石產(chǎn)量即達(dá)到1萬(wàn)克拉，隨后的30年間，該頂壓機(jī)共合成金剛石約150萬(wàn)次。如今，這臺(tái)具有紀(jì)念意義的功勛機(jī)器收藏在三磨所的院內(nèi)成為“鎮(zhèn)院之寶”。
頂端新聞·河南商報(bào)記者根據(jù)《2021年中國(guó)磨料磨具工業(yè)年鑒》相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)了解到，2020年行業(yè)內(nèi)主要生產(chǎn)商金剛石單晶產(chǎn)量約為200億克拉，產(chǎn)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(xiàn)在的3毛錢/克拉，三磨所研發(fā)的技術(shù)硬生生地把人造金剛石打成白菜價(jià)(這里指的是工業(yè)級(jí)金剛石的價(jià)格，與珠寶鉆石相比，它的純度較低)。
它所帶動(dòng)的人造金剛石產(chǎn)業(yè)，也被業(yè)內(nèi)人士譽(yù)為河南的一張工業(yè)名片。
人造金剛石領(lǐng)域的黃埔軍校，助力多家上市企業(yè)
“在應(yīng)用領(lǐng)域，河南超硬材料企業(yè)創(chuàng)造的產(chǎn)值占全國(guó)同領(lǐng)域產(chǎn)值的50%以上。除了三大龍頭企業(yè)之外，河南還有200余家超硬材料及制品生產(chǎn)企業(yè)。”河南省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主席呂國(guó)范介紹，柘城被譽(yù)為中國(guó)鉆石之都、金剛石微粉之鄉(xiāng)。其中金剛石微粉產(chǎn)量和出口量占全國(guó)市場(chǎng)份額分別達(dá)到70%和50%，大顆粒單晶產(chǎn)量占全國(guó)市場(chǎng)份額的60%。
頂端新聞·河南商報(bào)記者梳理發(fā)現(xiàn)，河南在超硬材料領(lǐng)域已有黃河旋風(fēng)、力量鉆石、四方達(dá)等上市公司。隨著惠豐鉆石A股IPO注冊(cè)獲批、富耐克上市輔導(dǎo)通過(guò)驗(yàn)收，河南鉆石上市企業(yè)有望迎來(lái)新一波擴(kuò)容。
而這些企業(yè)，都與三磨所這所“黃埔軍校”有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。
三磨所從幾十平方米的“籌備處”，發(fā)展到現(xiàn)在擁有標(biāo)準(zhǔn)化廠房6萬(wàn)㎡、科研實(shí)驗(yàn)室3000㎡、10余條智能化生產(chǎn)線及千余臺(tái)套國(guó)內(nèi)外先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的綜合性企業(yè)(隸屬于上市公司國(guó)機(jī)精工)。
頂端新聞·河南商報(bào)記者了解到，2021年，鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司年產(chǎn)值已經(jīng)突破8.2億元，利潤(rùn)率超過(guò)30%，市場(chǎng)占有率穩(wěn)步提升。
過(guò)去的幾十年，三磨所從無(wú)到有圍繞超硬材料領(lǐng)域不斷研發(fā)創(chuàng)新。其研發(fā)的相關(guān)磨具廣泛應(yīng)用于芯片加工、汽車制造、油氣鉆探等領(lǐng)域。
在“傳統(tǒng)”磨具領(lǐng)域，他們已經(jīng)做到了在頭發(fā)絲上“跳舞”的境界。
舉個(gè)例子，在芯片加工領(lǐng)域，一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是要精準(zhǔn)地在光亮如鏡面般的大直徑硅片上進(jìn)行精準(zhǔn)“裁剪”。
“這里就要用到我們研發(fā)的高效精密超薄硅片劃片刀。”鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司科技發(fā)展部部長(zhǎng)孫冠男告訴頂端新聞·河南商報(bào)記者說(shuō)，“這種刀片的厚度是10微米，而一根頭發(fā)絲的直徑大約是80微米，我們的產(chǎn)品能夠做到在一根頭發(fā)絲上開(kāi)7道槽。”
包含上述劃片刀在內(nèi)，三磨所研發(fā)出的“切、磨、拋”芯片加工全系超硬材料制品，對(duì)我國(guó)芯片加工產(chǎn)業(yè)的獨(dú)立自主可控、保障芯片產(chǎn)業(yè)技術(shù)安全具有重要意義。
行業(yè)風(fēng)向標(biāo)，已瞄準(zhǔn)下一個(gè)賽道
“以往，金剛石在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是圍繞其硬度、耐磨性等機(jī)械性能。其實(shí)金剛石還有一系列優(yōu)秀的性能。例如，其導(dǎo)熱率非常好，可以用來(lái)制作高性能導(dǎo)熱材料。光學(xué)透過(guò)性好，可以做高性能光學(xué)窗口材料。”鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司董事長(zhǎng)趙延軍在接受頂端新聞·河南商報(bào)記者專訪時(shí)說(shuō)。
三磨所針對(duì)金剛石高導(dǎo)熱性、透光性等性能，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品成功應(yīng)用在雷達(dá)、航空航天等領(lǐng)域。用于5G相關(guān)設(shè)備上的應(yīng)用也在研發(fā)過(guò)程中。
除了“高大上”的領(lǐng)域，硼摻雜金剛石電極在電化學(xué)傳感器、污水處理等領(lǐng)域已取得了突破性進(jìn)展，壽命是傳統(tǒng)電極的數(shù)十倍。
“金剛石最有前景的應(yīng)用領(lǐng)域在第四代半導(dǎo)體，這已經(jīng)是國(guó)際前沿的研究熱點(diǎn)。”趙延軍向頂端新聞·河南商報(bào)記者介紹，已經(jīng)有相關(guān)機(jī)構(gòu)在研究金剛石在量子計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)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(chǎng)強(qiáng)大等性能，金剛石是研制大功率、高溫、高頻等高性能半導(dǎo)體器件的理想材料，被行業(yè)譽(yù)為“終極半導(dǎo)體材料”?？商娲F(xiàn)有硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料，引發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)革命。
也就是說(shuō)，未來(lái)有一天，你用的芯片可能是金剛石打造的。
不過(guò)，趙延軍坦言，想要實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)金剛石的工業(yè)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(tǒng)性技術(shù)挑戰(zhàn)：在實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)成功后，還需經(jīng)歷優(yōu)化工藝和成本、應(yīng)用等一系列產(chǎn)業(yè)化落地過(guò)程，預(yù)計(jì)需要10~20年的研發(fā)才有可能突破。(頂端新聞·河南商報(bào)首席記者郭丁然文/圖)
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