單晶還是多晶，不同晶體結構的金剛石在應用上有什么區別？

發布時間 | 2023-12-29 10:09 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 2101

磨料金剛石碳化硅

導讀：一顆天然金剛石需要碳原子在地下150-200公里的深度下，經歷上億年的高溫高壓才得誕生，而呈現到人們眼前還得繼續隨著時間的推移，被地質的運動帶到地球表面，可謂十分稀缺。于是人們通過模擬天...

一顆天然金剛石需要碳原子在地下150-200公里的深度下，經歷上億年的高溫高壓才得誕生，而呈現到人們眼前還得繼續隨著時間的推移，被地質的運動帶到地球表面，可謂十分稀缺。于是人們通過模擬天然金剛石的結晶條件和生長環境，采用科學方法合成了同樣具有超硬、耐磨、抗腐蝕等優良性能的人造金剛石，把金剛石的合成時間縮短至十幾天甚至幾天。人造金剛石有單晶和多晶之分，它們各自具有獨特的晶體結構和特性，使得它們在應用中有所區別。

一、單晶金剛石

單晶金剛石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。

1、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。而單晶金剛石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。

金剛石襯底

2、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。

3、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。

聚晶金剛石（多晶體）與單晶金剛石石刀顯微狀態及切削示意

（來源：鄭州華菱超硬材料有限公司）

4、研磨拋光

單晶金剛石分散性好，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。

單晶（左）、多晶（右）金剛石研磨液顯微示意

多晶金剛石

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，目前主要有以下幾個應用方向：

1、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。

金剛石熱沉片

2、研磨拋光

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。