金剛石晶體的不同類型及應用梳理

金剛石是我們都非常熟悉的超硬材料，人造金剛石晶體有多種不同的類型，大致可分為單形和聚形，每種類型都具有不同的特性和應用。本文梳理了金剛石晶體的不同類型及應用。

單形，就是同種晶面組成的晶體形態。比如說晶面都是（111）面或者都是（100）面組成的晶體形態就是單形，典型代表就是，方晶都是由（100）面組成，八面體都是（111）面組成。

聚形，是由兩種或兩種以上晶面組成的晶體形態，也就是說聚形是由單形聚合而成。比如（111）面和（100）面聚合的形態就是六八面體聚形，這種晶型很常見，合成生產中一般都是以六八面體為主。

金剛石單晶

金剛石單晶是由具有飽和性和方向性的共價鍵結合起來的晶體，是金剛石晶體中最常見的類型，其結晶體內部的微粒在三維空間呈有規律地、同期性地排列，具有缺陷少、無晶界制約的特點，因此在導熱性、硬度、透光性以及電性能上有突出的優勢。

晶體結構：金剛石單晶是由具有飽和性和方向性的共價鍵結合起來的晶體，結晶體內部的微粒在三維空間呈有規律地、同期性地排列，或者說晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構成，整個晶體中質點在空間的排列為長程有序。晶體結構均勻、完整，具有均勻的化學、熱力學性質。

制造方法：在熱力學穩定的高溫高壓及觸媒參與的條件下合成，國內基本都采用六面頂壓機合成。

物理性質：金剛石單晶硬度大、抗磨損性能好，具有良好的導熱性能和耐高溫性能，能夠在高溫高壓環境下保持穩定的物理和化學性質。

切削應用：單晶金剛石刀具的顯微硬度高達10000HV，因此具有良好的耐磨性。由于單晶金剛石的刀刃可以達到原子級的平直度及鋒利度，切削時可以將刀刃完美的狀態，直接復制在被加工物上，加工出光潔度極高的鏡面，確保獲得極高的尺寸精度，并在能夠在高速切削和重負荷下保持刀具的壽命和性能穩定，適用于超薄切削和超精密加工，在加工有色金屬時，表面粗糙度可達Rz0.1～0.05μm， 被加工工件的形狀精度控制50nm以下。同時由于其摩擦系數低，加工時變形小，因此可減小切削力。

研磨拋光：金剛石單晶分散性好，尖角的利用率更高，因此制備成研磨液時，濃度相對與多晶金剛石要低很多，其性價比也就比較高，更適合用來拋光陶瓷一類要求不那么高的材料。

導熱應用：金剛石的熱導性能基本上來自碳原子振動（即聲子）的傳播，金剛石中的雜質元素、位錯和裂紋等晶體缺陷，殘留金屬催化劑及晶格位向等因素都會與聲子發生碰撞使其發生散射，從而限制了聲子的平均自由程，降低熱導率。而金剛石單晶具有高度有序的晶格結構，使得其幾乎沒有晶界散射的影響，因此具有高達2200 W/(m·K)的導熱系數，與此同時，金剛石具備化學性質穩定、高絕緣性、介電常數小等特性，基于這些優異的性能，單晶金剛石有望在半導體襯底等多領域大幅應用。

光學應用：CVD法所制備的高質量單晶金剛石，可做到完全無色透明，幾乎沒有任何雜質，其高度有序的晶體結構也使得光在晶體中傳播時不受到結構不規則性的干擾，因而呈現出更為卓越的光學性能。它具有最寬的透過光譜，從紫外的225nm到紅外的25μm（波長1.8μm-2.5μm除外），以及到微波范圍內，單晶金剛石都具有優良的透過性，理論透過率高達71.6%，用單晶CVD金剛石制作的微鏡片(光學儀器中的透鏡、棱鏡等)以及紅外窗口都具有極佳的性能，目前已應用于航天領域。此外，單晶金剛石是一種性能優異的晶體拉曼材料，使得拉曼激光可以實現更高的增益、更高的功率密度和可變波長，為高功率激光的發展提供了新的機遇。

金剛石多晶

多晶金剛石的結構是由眾多細小的納米級小顆粒通過不飽和鍵結合而成，與天然的黑金剛石（以黑色或者暗灰色為主色的天然多晶金剛石）極為相似。與單晶金剛石相比，多晶金剛石晶粒呈無序排列，韌性好，具有更大的表面積，在承受更高的壓力，不會出現大面積破碎。

晶粒結構：多晶金剛石是由眾多細小的納米級小顆粒聚集而成，經過提純分級等后續處理得到不同粒度范圍的多晶金剛石微粉，粒度一般不超過10微米。晶體結構不均勻，缺陷嚴重、脆弱，具有尖銳棱角的不規則外形。結構與天然的Carbonado極為相似。通過不飽和鍵結合而成，具有很好的韌性。

制造方法：金剛石多晶（微粉）是利用獨特的爆破法由石墨制得，高爆速炸藥定向爆破的沖擊波產生高溫高壓，金屬飛片加速飛行撞擊石墨片從而導致石墨轉化為多晶金剛石。一般只有幾微秒的瞬間，產品多是5~20納米的細小多晶體。

物理性質：金剛石多晶硬度不如單晶高，但仍具有優異的耐磨性能和導熱性能，能夠在高溫高壓環境下保持一定穩定性。

磨削性能：金剛石多晶的切割性能不如單晶，但具有獨特的韌性和自銳性，多晶金剛石具有更多的晶棱和磨削面，在磨削過程中每條晶棱都具有磨削力，并且粗顆粒在磨削過程中會破碎脫落成更小的顆粒，這樣既可以保持持續的磨削力，又避免尖銳棱角對工件表面造成劃傷，既保證了樣品表面的磨拋質量，又提高了研磨切削效率。與單晶金剛石比起來，更適合用來研磨表面由不同硬度材料構成的工件。

半導體領域：作為半導體材料，金剛石多晶與單晶材料的應用方向大有不同。多晶金剛石的光性能和電性能等不如單晶金剛石優異，在光學級、電子級多晶金剛石膜的應用上相對苛刻，在制備上要求沉積速率理想和缺陷密度極低或可控，但在導熱方面，多晶金剛石仍有著接近2000 W/(m·K)的導熱系數，因此多晶金剛石膜一般是作為半導體功率器件散熱的熱沉應用。相較于單晶金剛石，其沉淀的技術水平也較容易實現，制備成本的優勢也更加明顯。

研磨拋光：作為精密磨料，由于多晶金剛石晶粒呈無需排列，當受高壓時產生的微破碎可被限制在微晶的小范圍內，不會出現大的解理面破碎，具有良好的自銳性，因此允許在研磨和拋光時使用較高的單位壓力。在研磨拋光過程中，隨著微晶顆粒的脫落，多晶金剛石磨料會不斷地露出更多同樣粗糙和尖銳微晶，這意味著不論工件的方向如何，它都擁有很多的切削刃，不僅材料去除率高，而且對樣品表面的拋光更柔和，可避免對工件表面造成劃傷，特別適用于藍寶石、碳化硅等襯底的加工以及用來研磨表面由不同硬度材料構成的工件。

鍍膜添加劑：多晶金剛石用于金屬模具、工具、部件等的鍍膜，能夠大大提高表面耐磨性、表面硬度、延長使用壽命。

切削刀具：相較于金剛石大單晶，多晶金剛石的無序晶體結構賦予了其更耐沖擊的特性，切割時不容易產生崩裂現象。因此應用時限制較少，應用范圍更為廣泛，同時其與非金屬和有色金屬材料之間的親和力極低，在使用過程中不易產生粘刃現象。

金剛石類多晶

由于多晶金剛石有很大的市場需求，就衍生了類多晶金剛石產品。類多晶，也就是使用單晶金剛石做原材料，經過表面刻蝕處理形成蜂窩孔洞結構，以此達到類似多晶金剛石的磨拋效果，所以叫做“類多晶”金剛石。

類多晶金剛石微粉，是介于單晶金剛石和多晶金剛石之間的新型磨料。由單晶金剛石微粉采用特殊工藝加工制成。

類多晶金剛石具有硬度適中、把持力強、自銳性強、磨削效率高、可顯著降低工件表面的粗糙度等特點，應用于碳化硅、藍寶石襯底晶片、光學鏡片、陶瓷和合金等領域的精密研磨、拋光，是多晶金剛石的經濟替代型產品。

金剛石聚晶

人造金剛石聚晶是一種把金剛石與結合劑在高溫、高壓條件下燒結而成的金剛石聚合物，它具有極高的耐熱性和很高的熱穩定性。廣泛應用于制造石油，地質鉆頭，鉆石加工和機械加工工具等。

聚晶金剛石既是工程材料，又是新型的功能性材料；既是高新技術產品，又是高效益的產品。隨著現代工業和科學技術的發展，聚晶金剛石以其優良的力、熱、化學、聲、光、電等性能，在現代工業、國防和高新技術等領域中得到日益廣泛的應用。

高的硬度和耐磨性：聚晶金剛石的硬度高達10000HV左右，是目前世界上人造物質中最硬的材料，比硬質合金及工程陶瓷的硬度高得多，由于聚晶金剛石硬度極高，并且各向同性，因而具有極佳的耐磨性。

摩擦系數低：聚晶金剛石與一些有色金屬的摩擦系數比其它材料都低，約為硬質合金的1/2左右。低的摩擦系數不僅使變形和切削力降低，而且使切削時不產生積屑瘤，因而降低了加工表面粗糙度。

導熱率高：聚晶金剛石的導熱率很高，比銀、銅還要好，比一般硬質合金高得多，因此在切削過程中切削熱容易散出，故切削溫度較低。

加工精度高：由于聚晶金剛石刀具具有較低的熱膨脹系數和很高的彈性模量，因而在切削過程中刀具不易變形，在切削力的作用下刀具能保持其原始參數，長期保持鋒利，切削精度高。所以使用PCD刀具進行加工時，可以減小切削力和降低切削溫度，提高刀具耐用度和切削率，獲得良好的加工表面。

這幾種晶體可從以下幾方面簡單區別：

生產方法上：單晶金剛石是石墨和觸媒經六面頂壓機合成；多晶金剛石是經過爆炸法合成；制備金剛石多晶相對簡單，成本低，廣泛應用于砂輪、磨料等領域。聚晶金剛石是把單晶金剛石與結合劑在高溫高壓下燒結而成的金剛石聚合物。

微觀結構上：在金剛石的生長過程中會出現很多種晶面，如（100）、（110）、（111）面，若單獨按照某個晶面規律的外延生長，就形成單晶的，若是混合生長的就是多晶。

來源：DT新材料、磨料磨具、粉體圈

審核編輯：劉清