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[摘 要] CVD金刚石的成功问世,使得金刚石的性能得到了充分的发挥,其将成为金刚石材料未来发展的主流。随着CVD金刚石的不断的发展,其在国民经济中发挥着重要的作用。本文将结合产业结构优化升级,探讨CVD金刚石未来的发展趋势和对国民经济的影响。
[ 关键词 ] CVD金刚石 产业优化升级 发展趋势
金刚石具有极其优异的物理学性能,在自然界中具有最高的硬度和强度,较高的热导率、较宽的透过波段以及优异的半导体特性和化学惰性,可以说是当今世界上性能最优秀的全方位材料,这使其成为具有广泛应用前景、巨大的市场潜力和高科技发展的关键材料。
但由于天然金刚石资源数量以及尺寸非常有限且加工成本很高,因此它们的应用受到极大的限制。上世纪八十年代初提出的化学气相沉积法生成金刚石薄膜(CVD)的成功问世,使金刚石的性能能够充分得到发挥,相信随着CVD金刚石及其产品技术研究的进一步发展,其全方位的性能和应用将得以实现。专家断言,CVD金刚石将成为金刚石材料未来发展的主流,它将成为国民经济的支柱产业,如加工业、汽车、信息、能源领域以及国防、军事武器和尖端技术的关键材料,能有效地改变整体国民经济的产业结构。
一、CVD金刚石应用在国民经济发展中的作用
CVD金刚石的晶体结构和天然Ⅱa型金刚石相同,是一种在众多高科技领域有着广泛应用和发展前景的全方位材料,从80年代问世初期就受到世界各国的的高度重视。美、日、英等国都将金刚石薄膜列入国家重点发展项目。美国政府第三个国家关键技术报告将金刚石薄膜项目列入二十七个国家关键技术之一。日本东芝、神户制钢及住友电工三家大企业连手合作开发较硅晶圆速度快二十倍的金刚石半导体,已经研制出世界上第一块采用金刚石薄膜制成的计算机芯片。英国DTI宣布由Element Six公司、剑桥大学及Dynex Semiconductor共同发展金刚石高功率电子组件计划。我国也将CVD金刚石薄膜研究列入国家“863”高技术计划,开始建立专项支持CVD金刚石薄膜的研究开发,在“八五”和“九五”期间均设立了专门的重大项目。自然科学基金委员会也在“八五”和“九五”期间资助了20余项有关CVD金刚石薄膜的基金项目。
随着CVD金刚石合成和加工技术的不断完善,全面应用所受到的技术限制逐渐被解决,因此,CVD金刚石材料及其产品的成本不断下降,市场需求不断扩大,新产品不断问世,CVD金刚石已经走入到国民经济的各个领域中去。尽管目前CVD金刚石市场规模还不大, CVD金刚石全方位优异的性能和广泛的应用,其市场前景极为可观。
目前, CVD金刚石的市场每年以20%以上的幅度增长,在未来20年中CVD金刚石及其相关产业完全可能发展为每年100亿美元的市场,相当于现阶段金刚石市场总和的2倍。近3年以来,几乎世界知名的工具公司如Drukker、Sandwich、Kenner等在CVD金刚石刀具应用方面投入了巨大的财力物力,进行了深入的研发,市场规模迅速扩张。如2000年国际上CVD金刚石仅在工具方面市场实现的销售约3000多万美元,目前已经超过了1亿美元。世界最大的工业金刚石公司Element Six在2002年CVD金剛石销售总额1000万美元,占该公司总销售额(2亿美元)的5%,未来5年将达到年销售额10亿美元。
CVD金刚石的应用无论在国内外都具有广阔的市场前景,其中工具方面的应用市场,特别是金刚石刀具、砂轮等领域,占据着市场的主要份额。但是,更高层次的应用,如在CVD金刚石热沉方面的应用,预计未来几年内将会超越其在工具方面的应用。 除了已经形成的大规模的热沉和工具市场以外, CVD金刚石在光学、电子、半导体以及单晶金刚石的市场也是非常值得期待的,新产品的种类和规模不断扩大,最终将会成为CVD金刚石市场的主流。
二、产业结构优化升级对CVD金刚石应用的影响
CVD金刚石的应用在我国的国民经济占有重要的地位,我国从1987年起就将其列入国家高技术研究与发展计划(863计划)项目,“七五”、“八五”和“九五”计划均列入专项支持,863“十五”计划的“国防新材料”专项、“纳米材料”专项、以及“高性能功能材料”主题也已把CVD金刚石膜在工具、电子通讯和光学的应用列入其中。根据我国目前经济的实际发展阶段、资源和环境约束条件、社会进步程度,特别是结合我国经济社会发展的战略目标,未来一个时期我国产业结构调整将呈现一种新的趋势,那就是以高新技术产业为驱动力,以现代服务业和现代制造业为支撑,带动产业结构的优化升级,届时CVD金刚石的应用将呈现出一种新的趋势。
1.CVD金刚石在超精密加工方面的应用
将传统的粗放型经济增长方式转变为高效率的集约化的经济发展方式是产业结构调整的关键,因此在制造业中的二次加工,精密加工等将成为发展的重点,利用性能优异的高质量CVD金刚石膜替代天然金刚石制作超精密工具可以降低生产成本,打破国外技术垄断,减少国内精密加工领域对国外技术的依赖。超精密金刚石刀具的用途非常广泛,在隐性眼睛加工、微创手术、精密电子加工等领域都是不可或缺的重要工具。
2. CVD金刚石在光学方面的应用
重点发展科技含量高和劳动生产率高的现代服务业,使之成为促进经济增长和产业结构优化的主要推动力之一,同时,还要利用高新技术尤其是信息技术和现代科技成果推动现代制造业的发展。金刚石微波透射窗可应付超过1MW的微波功率,其能力比任何其他材料的透射窗大1倍以上,有可能将引起微波功率电子设备的大变革。我国在现有的技术水平离实际应用的距离不是太远, 在短期内开发出产品, 并进入市场是完全可行的。
3. CVD金刚石在电子信息方面的应用
CVD金刚石在信息通讯方面具有巨大的应用前景,国际上拥有超薄片制造技术的国家主要是日本、美国等电子信息技术领先的发达国家,且技术处于封锁垄断阶段,使得我国电子信息领域产品的快速更新与发展受到制约,也影响了该领域企业经济效益的提高,在结构调整和产业升级的大背景下具有巨大的发展空间。
4. CVD金刚石在纳米材料方面的应用
材料的复合化是材料发展的必然趋势,复合镀层已成为表面工程领域的研究热点之一,在现阶段追求绿色GDP,低碳经济的前提下,CVD金刚石在纳米材料领域能发挥非常重要的作用。如纺织企业纺织零部件采用普通镀镍工艺,耐磨性不足,如改用纳米金刚石悬浮为添加剂的电镀复合镀工艺,使零部件硬度有明显提高,耐磨性成倍增加,有良好的耐磨减摩效果,产品使用寿命普遍提高2-3倍。
三、结语
经过多年的发展,我国金刚石工业有了巨大的发展,形成了独特的工业体系,特别是CVD金刚石的发展和应用,已经成为国民经济发展中的重要部分,随着产业结构调整的深入,其将扮演越来越重要的角色。展望未来,我国CVD金刚石将出现新的发展局面。
CVD金刚石的生产将进一步朝着规模化、产业化的方向发展,行业发展的分级将越来越显著。行业的竞争力将不断增强,从业人员的综合水平将会有较大提高,研发和技术的岗位将成为行业的主流。
CVD金刚石的相关产品将向更高级的方面发展,应用范围从传统的工具和热沉将向光学、信息、纳米材料等方面转化,从而满足机械、电子、通讯等精密加工和应用的需求。
参考文献:
[1]董长顺 玄真武 秦松岩 王亨瑞:CVD金刚石膜技术研究发展综述. http://www.hardalloy.com.cn/news_info.asp?id=3516. 2007.11.13
[2]吕反修: CVD金刚石膜的产业化应用与目前存在的问题[J].新材料产业,2003,(7)p:63-67
[3]Ken-ya Hashimot著,王景山,刘天飞,孙玮译.声表面波器件模拟与仿真[M].国防北京: 工业出版社. 2002
[4]谈耀麟:单晶CVD金刚石作为功能材料的应用[J].超硬材料工程,2008,(4)p:35-39
[5]冯克明,羊松灿等:金刚石的机械特性分析及其刀具的刃磨技术[C].第五届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集.2008.(9)p:161-165
[6]王进保 吕智等:我国玻璃加工用金属结合剂金刚石工具的发展前景[C].第五届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集.2008.(9):198-201
[ 关键词 ] CVD金刚石 产业优化升级 发展趋势
金刚石具有极其优异的物理学性能,在自然界中具有最高的硬度和强度,较高的热导率、较宽的透过波段以及优异的半导体特性和化学惰性,可以说是当今世界上性能最优秀的全方位材料,这使其成为具有广泛应用前景、巨大的市场潜力和高科技发展的关键材料。
但由于天然金刚石资源数量以及尺寸非常有限且加工成本很高,因此它们的应用受到极大的限制。上世纪八十年代初提出的化学气相沉积法生成金刚石薄膜(CVD)的成功问世,使金刚石的性能能够充分得到发挥,相信随着CVD金刚石及其产品技术研究的进一步发展,其全方位的性能和应用将得以实现。专家断言,CVD金刚石将成为金刚石材料未来发展的主流,它将成为国民经济的支柱产业,如加工业、汽车、信息、能源领域以及国防、军事武器和尖端技术的关键材料,能有效地改变整体国民经济的产业结构。
一、CVD金刚石应用在国民经济发展中的作用
CVD金刚石的晶体结构和天然Ⅱa型金刚石相同,是一种在众多高科技领域有着广泛应用和发展前景的全方位材料,从80年代问世初期就受到世界各国的的高度重视。美、日、英等国都将金刚石薄膜列入国家重点发展项目。美国政府第三个国家关键技术报告将金刚石薄膜项目列入二十七个国家关键技术之一。日本东芝、神户制钢及住友电工三家大企业连手合作开发较硅晶圆速度快二十倍的金刚石半导体,已经研制出世界上第一块采用金刚石薄膜制成的计算机芯片。英国DTI宣布由Element Six公司、剑桥大学及Dynex Semiconductor共同发展金刚石高功率电子组件计划。我国也将CVD金刚石薄膜研究列入国家“863”高技术计划,开始建立专项支持CVD金刚石薄膜的研究开发,在“八五”和“九五”期间均设立了专门的重大项目。自然科学基金委员会也在“八五”和“九五”期间资助了20余项有关CVD金刚石薄膜的基金项目。
随着CVD金刚石合成和加工技术的不断完善,全面应用所受到的技术限制逐渐被解决,因此,CVD金刚石材料及其产品的成本不断下降,市场需求不断扩大,新产品不断问世,CVD金刚石已经走入到国民经济的各个领域中去。尽管目前CVD金刚石市场规模还不大, CVD金刚石全方位优异的性能和广泛的应用,其市场前景极为可观。
目前, CVD金刚石的市场每年以20%以上的幅度增长,在未来20年中CVD金刚石及其相关产业完全可能发展为每年100亿美元的市场,相当于现阶段金刚石市场总和的2倍。近3年以来,几乎世界知名的工具公司如Drukker、Sandwich、Kenner等在CVD金刚石刀具应用方面投入了巨大的财力物力,进行了深入的研发,市场规模迅速扩张。如2000年国际上CVD金刚石仅在工具方面市场实现的销售约3000多万美元,目前已经超过了1亿美元。世界最大的工业金刚石公司Element Six在2002年CVD金剛石销售总额1000万美元,占该公司总销售额(2亿美元)的5%,未来5年将达到年销售额10亿美元。
CVD金刚石的应用无论在国内外都具有广阔的市场前景,其中工具方面的应用市场,特别是金刚石刀具、砂轮等领域,占据着市场的主要份额。但是,更高层次的应用,如在CVD金刚石热沉方面的应用,预计未来几年内将会超越其在工具方面的应用。 除了已经形成的大规模的热沉和工具市场以外, CVD金刚石在光学、电子、半导体以及单晶金刚石的市场也是非常值得期待的,新产品的种类和规模不断扩大,最终将会成为CVD金刚石市场的主流。
二、产业结构优化升级对CVD金刚石应用的影响
CVD金刚石的应用在我国的国民经济占有重要的地位,我国从1987年起就将其列入国家高技术研究与发展计划(863计划)项目,“七五”、“八五”和“九五”计划均列入专项支持,863“十五”计划的“国防新材料”专项、“纳米材料”专项、以及“高性能功能材料”主题也已把CVD金刚石膜在工具、电子通讯和光学的应用列入其中。根据我国目前经济的实际发展阶段、资源和环境约束条件、社会进步程度,特别是结合我国经济社会发展的战略目标,未来一个时期我国产业结构调整将呈现一种新的趋势,那就是以高新技术产业为驱动力,以现代服务业和现代制造业为支撑,带动产业结构的优化升级,届时CVD金刚石的应用将呈现出一种新的趋势。
1.CVD金刚石在超精密加工方面的应用
将传统的粗放型经济增长方式转变为高效率的集约化的经济发展方式是产业结构调整的关键,因此在制造业中的二次加工,精密加工等将成为发展的重点,利用性能优异的高质量CVD金刚石膜替代天然金刚石制作超精密工具可以降低生产成本,打破国外技术垄断,减少国内精密加工领域对国外技术的依赖。超精密金刚石刀具的用途非常广泛,在隐性眼睛加工、微创手术、精密电子加工等领域都是不可或缺的重要工具。
2. CVD金刚石在光学方面的应用
重点发展科技含量高和劳动生产率高的现代服务业,使之成为促进经济增长和产业结构优化的主要推动力之一,同时,还要利用高新技术尤其是信息技术和现代科技成果推动现代制造业的发展。金刚石微波透射窗可应付超过1MW的微波功率,其能力比任何其他材料的透射窗大1倍以上,有可能将引起微波功率电子设备的大变革。我国在现有的技术水平离实际应用的距离不是太远, 在短期内开发出产品, 并进入市场是完全可行的。
3. CVD金刚石在电子信息方面的应用
CVD金刚石在信息通讯方面具有巨大的应用前景,国际上拥有超薄片制造技术的国家主要是日本、美国等电子信息技术领先的发达国家,且技术处于封锁垄断阶段,使得我国电子信息领域产品的快速更新与发展受到制约,也影响了该领域企业经济效益的提高,在结构调整和产业升级的大背景下具有巨大的发展空间。
4. CVD金刚石在纳米材料方面的应用
材料的复合化是材料发展的必然趋势,复合镀层已成为表面工程领域的研究热点之一,在现阶段追求绿色GDP,低碳经济的前提下,CVD金刚石在纳米材料领域能发挥非常重要的作用。如纺织企业纺织零部件采用普通镀镍工艺,耐磨性不足,如改用纳米金刚石悬浮为添加剂的电镀复合镀工艺,使零部件硬度有明显提高,耐磨性成倍增加,有良好的耐磨减摩效果,产品使用寿命普遍提高2-3倍。
三、结语
经过多年的发展,我国金刚石工业有了巨大的发展,形成了独特的工业体系,特别是CVD金刚石的发展和应用,已经成为国民经济发展中的重要部分,随着产业结构调整的深入,其将扮演越来越重要的角色。展望未来,我国CVD金刚石将出现新的发展局面。
CVD金刚石的生产将进一步朝着规模化、产业化的方向发展,行业发展的分级将越来越显著。行业的竞争力将不断增强,从业人员的综合水平将会有较大提高,研发和技术的岗位将成为行业的主流。
CVD金刚石的相关产品将向更高级的方面发展,应用范围从传统的工具和热沉将向光学、信息、纳米材料等方面转化,从而满足机械、电子、通讯等精密加工和应用的需求。
参考文献:
[1]董长顺 玄真武 秦松岩 王亨瑞:CVD金刚石膜技术研究发展综述. http://www.hardalloy.com.cn/news_info.asp?id=3516. 2007.11.13
[2]吕反修: CVD金刚石膜的产业化应用与目前存在的问题[J].新材料产业,2003,(7)p:63-67
[3]Ken-ya Hashimot著,王景山,刘天飞,孙玮译.声表面波器件模拟与仿真[M].国防北京: 工业出版社. 2002
[4]谈耀麟:单晶CVD金刚石作为功能材料的应用[J].超硬材料工程,2008,(4)p:35-39
[5]冯克明,羊松灿等:金刚石的机械特性分析及其刀具的刃磨技术[C].第五届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集.2008.(9)p:161-165
[6]王进保 吕智等:我国玻璃加工用金属结合剂金刚石工具的发展前景[C].第五届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集.2008.(9):198-201