大連凱峰超硬材料公司
　　張 凱 張路青
　　

　　一、背景
　　“爆炸多晶金剛石”的研究首先是從“爆炸加工”角度出發來進行研究的。1961年B.J.ALDER首先發現石墨通過高速沖擊相變為金剛石的機理。1971年美國杜邦公司的Anthony S .Balchan等三人提出爆炸金剛石的第一個專利：“Method of Explosively Shocking Solid Materials” ,隨后前蘇聯、日本也相繼開展爆炸金剛石的研究，我國在1975年前后短期內一些研究所及企業也開展研究，但在1978年后又幾乎全部下馬，銷聲匿跡。1994年中科院力學所的邵丙璜教授重拾爆炸多晶金剛石的研究，并在門頭溝代表力學所成立我國第一個“爆炸多晶金剛石”生產廠，可到1997年這個廠又息停倒閉。現在國內包括我們大連凱峰公司在內，大約有3-4家公司能生產此種產品，就其金剛石的結構特性與產出率而言，水平各不一樣。但求其中的深層次理論與工藝技術需要研究者去重新認識與開發。
　　二)大連凱峰超硬材料公司的爆炸納米多晶(聚晶)金剛石的結構特性
　　1)X衍射曲綫與Raman光譜曲綫

　　圖1中峰值曲線非常清楚的顯示了2θ =43.92?，75.5?，91.24?時的3個峰值，金剛石是典型的立方晶體特性，曲線光滑，說明金剛石純度很高，沒有什么雜質存在，在2θ =26.5?附近曲線出現小慢鼓包，說明聚晶(多晶)金剛內顆粒內部尚有極微量非晶形的炭存在。
　　圖2是由大連理工大學物理系近場光學與納米技術研究所做出的Raman散射光譜曲線。測試曲線顯示，在1321cm-1處是一寬化的Raman峰，是sp3結構的金剛石特征，寬化峰就是納米尺度和聚晶的特征。從1570-1cm到1620cm-1附近是極為平緩的波譜帶，它對應在金剛石中尚存在極微量的非晶形的炭，也就是存在在小晶粒中間(透射電鏡下的小晶粒)空隙中的極微量的非晶形炭，由于金剛石的Raman散射截面為石墨(炭)的1/60，所以只要有極極微量的非晶形炭存在，在曲線上也有顯示。
　　2)低倍的掃描電鏡(SEM)照片

　　左右圖皆放大5000倍的SEM照片，顆粒雖有點大小不勻，但顆粒的輪廓是顯明的，這種顆粒度就是激光粒度儀測出的粒度，就是10萬倍電鏡下或在原子力顯微鏡下(AFM)看到的大“葡萄串”的外形。稱為“聚合聚晶顆粒”，也就是商業上稱的商業粒度。
　　3)原子力顯微鏡(AFM)照片

　　AFM的放大倍數約為10萬倍左右，從標尺中看出圖中的顆粒大小約為50nm，原子力顯微鏡的探針粗細約有30nm，其測出的顆粒大小偏大。這種顆粒稱為“一次聚晶顆粒”，是金剛石成核時就形成了，是標志金剛石特性的“特性顆粒度”，與粉末的壓力與溫度密切相關，不同專家做出的粒度都不一樣。在此顆粒內部尚有許多更小的晶核以不飽和鍵集聚而成，真正多晶(聚晶)的概念就在于此。

　4、高倍放大的SEM照片

5、透射電鏡(TEM)照片

　　左圖可看出在TEM下一個0.5µm左右的聚合聚晶顆粒，而右圖放大倍數已是百萬倍，在圖中已清晰地看到在“一次聚晶顆粒”內部的晶粒大小，“一次聚晶顆粒”內的晶粒已不能用現代物理化學方法將其再分離開來。順便指出，右圖中立體感很強，仔細觀察，可看清“一次聚晶顆粒”的輪廓。但爆轟金剛石(它以TNT炸藥為原料爆轟后得到的)的TEM照片絕對沒有這種立體感，∴爆轟金剛石不是多晶金剛石，而是單晶，爆轟金剛石與我們的爆炸多晶金剛石無任何相同之處。
　　這樣納米聚晶金剛石各向同性，無解理面，自銳性好，在研磨過程中，小晶粒會因不斷磨削逐漸磨損而剝落，又露出新的小晶粒參加新的磨削。又因晶粒近似球形，切削力小，不會劃傷工件表面，用它加工硅原片時損傷層淺，是一種國際上目前稀缺的高品質磨料。
　　我們生產的爆炸納米多晶金剛石其“特性粒度”為50nm，這是目前國際上的極稀缺，極貴重新產品，在2008年初時，在美國1克拉絕不少于10美元；由于我公司中試結束不久，剛步入市場，不想將價格超越目前市場上有的“爆炸多晶金剛石”的一般價格。
　　三、拋光試驗

三、爆炸多晶金剛石的窗口

　　這個窗口實際上是從金剛石與石墨相圖上取下來的，在壓力與溫度窗口中都有實現金剛石轉化的機率，但這個窗口只代表沖擊壓力達到最高值時的狀況，并不代表卸載到常壓時由于卸載溫度過高而導致金剛石向石墨逆變的狀況，所以從本質上說，產生金剛石的窗口應該是三維的，還應加上卸載溫度。
　　但就從沖擊到最高壓力狀態的金剛石窗口而言，此窗口是很寬的，壓力從15GPa到100GPa，溫度從1000到2500K都有金剛石轉化的機率，但沖擊波合成機理告訴我們，當沖擊波通過粉末時，產生的壓力與溫度并不是獨立的，是相互依賴的，特別是壓力由很多因素決定：在采用圓管收縮爆炸時，這些因素有外管的飛行距離和速度；內、外管的壁厚；裝粉的技巧；如何避免中心馬赫波的產生；所裝粉末的成份，密度；收縮爆炸時沿內管半徑方向壓力的增長規律等。在采用平面飛片打擊時，從選擇炸藥爆速；飛片直徑，厚度；架高；飛片速度的實測與計算；粉末密度; 粉盒尺寸；藥柱與粉盒如何配置; 多向粉末流中沖擊波壓力的估算；問題非常復雜，所以在此領域工作的許多研究學者做出的最后結果都不一樣，不僅所獲轉化率各人都不一樣，做出的爆炸多晶金剛石的特性粒度也不一樣。我本人做了整整15年的不停頓的實驗研究，其中有13年每公斤炸藥的金剛石產出率沒有超過5克拉，多數甚至接近于零。當然現在已獲豐收。
　　日本住友公司在其網上資料公開宣示，他們的爆炸多晶金剛石產生的壓力：40萬atm，溫度3000K；我經仔細核算，用平面飛片打擊是做不出在40萬atm下達到3000K溫度的，他們采用的是飛管收縮爆炸，而且40萬atm的壓力也不是擊波剛進入內管時壓力，而是內管半徑某處代表的平均壓力。這說明世界上的各個學派，不同公司是各有千秋，各領風騷的。其結果也必然不一樣的。
　　五、生產工藝中的特點
　　爆炸多晶金剛石的生產工藝分為截然不同的二個部分：爆炸與后處理。且這兩個部分屬于不同領域，不同理論與不同方法。前者是爆炸力學領域，特別是爆炸加工領域，爆炸加工理論中許多精辟而深奧的理論思想在爆炸多晶金剛石理論中都顯露無遺，得到新的發展。而后處理恰百分之百地是個化學問題，如何制備懸浮液的問題中，還是界面化學的問題，要做好它，非常不容易。
　　“爆炸納米多晶金剛石”的全部生產工藝遵循以下程序：
　　爆炸裝置準備—→爆炸—→回收—→雜質分離—→去金屬技術—→去石墨技術—→去含硅化合物雜質技術—→分級技術—→烘干—→制成懸浮液
　　每一個循環從爆炸前準備工作開始到最后分級完成大約25天左右，當然可流水性連續作業，將人員分工，爆炸的專門爆炸，處理的專門處理，分級的專門分級。
　　六、大連凱峰超硬材料公司的技術成熟度
　　在爆炸準備工作中，公司設備齊全，三個人(6小時)制作的爆炸裝置，爆炸后可產出金剛石30000克拉，沒有出現過因技術不到位的任何問題; 爆炸地點在大連瓦房店炮臺，爆炸條件優越，每天爆炸加工時間6小時，三個操作人員每天產金剛石18000克拉，按此推算，年產300萬克拉只要164天，冬天室外水凍，不宜爆炸，適合爆炸時間是4-11月，共8個月，可持續爆160天，若配6個人操作，每年可產出金剛石580-700萬克拉。6個人在5個月冬季裡作爆炸前準備工作和后處理工作。若以年產500萬克拉，全部工作人員20人，是屬于非勞動密集型企業，所有的操作是手工操作基礎上的單個機械化流水生產，要有1000m2的操作面積。
　　后處理工作中都涉及到用酸問題，排水與反應時排放氣體的環保問題自然引起關注，排水可用堿中和辦法，方法也非常簡易，用在市場上可便宜買到的通用弱堿就可以將反應后產生的鹽類沉淀，將中水排放；至于某種反應時產生氣體雖然數量不算密集和大量，但亦為環保部門所不許，所以必須采取措施解決，方法亦簡易，可采用自行設計的活性炭吸收辦法解決。
　　七、爆炸多晶微粉企業應是一個有下?產品的企業
　　企業在初創階段，當然只生產微粉，但必須發展由微粉制作的下游新產品。例如用2-3 微粉制作的精密拋光的鉆石碟，不沾瓶底的懸浮液等。