我國金剛石單晶產(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)，還要歸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)體等未來產(chǎn)業(yè)，繼續(xù)換道領(lǐng)跑。

       過去的幾十年，三磨所從無到有，圍繞超硬材料領(lǐng)域不斷研發(fā)創(chuàng)新

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)開發(fā)區(qū)梧桐街121號，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，奠定了我國在世界金剛石領(lǐng)域的地位。

       1958年，國家籌建鄭州磨料磨具磨削研究所。因為專注于磨料、磨具、磨削的研發(fā)，所以就有了“三磨所”這個俗稱。研究所就建在二砂廠（中國第二砂輪制造廠）內(nèi)，定位為全國各砂輪廠的共同科研單位。

       當(dāng)年，國內(nèi)砂輪廠的核心原料人造金剛石為國外對中國禁售的戰(zhàn)略物資。為了保證自主安全，1960年，國家第一機(jī)械工業(yè)部設(shè)立了121號研究課題：研究人造金剛石，并把這個重要的課題交給了鄭州三磨所。

       1963年三磨所成功研制中國第一顆人造金剛石。1965年三磨所研發(fā)出我國第一臺六面頂壓機(jī)，它基于我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)、獨特的“六面頂”設(shè)備及工藝，獨占世界超硬材料產(chǎn)業(yè)鰲頭。

       這臺六面頂壓機(jī)研發(fā)成功當(dāng)年，金剛石產(chǎn)量即達(dá)到1萬克拉，隨后的30年間，該頂壓機(jī)共合成金剛石約150萬次。如今，這臺具有紀(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”。

       根據(jù)《2021年中國磨料磨具工業(yè)年鑒》相關(guān)統(tǒng)計數(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（這里指的是工業(yè)級金剛石的價格，與珠寶鉆石相比，它的純度較低）。

       它所帶動的人造金剛石產(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)會主席呂國范介紹，柘城被譽(yù)為中國鉆石之都、金剛石微粉之鄉(xiāng)。其中金剛石微粉產(chǎn)量和出口量占全國市場份額分別達(dá)到70%和50%，大顆粒單晶產(chǎn)量占全國市場份額的60%。

       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)、 惠豐鉆石等上市公司。隨著富耐克上市輔導(dǎo)通過驗收，河南鉆石上市企業(yè)有望迎來新一波擴(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㎡、科研實驗室3000㎡、10余條智能化生產(chǎn)線及千余臺套國內(nèi)外先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的綜合性企業(yè)（隸屬于上市公司國機(jī)精工）。

       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，利潤率超過30%，市場占有率穩(wěn)步提升。

       過去的幾十年，三磨所從無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。

       舉個例子，在芯片加工領(lǐng)域，一個重要的環(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)展部部長孫冠男告訴頂端新聞·河南商報記者說，“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，對我國芯片加工產(chǎn)業(yè)的獨立自主可控、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，可以用來制作高性能導(dǎo)熱材料。光學(xué)透過性好，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趙延軍在接受頂端新聞·河南商報記者專訪時說。

       三磨所針對金剛石高導(dǎo)熱性、透光性等性能，已經(jīng)開發(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)是國際前沿的研究熱點。”趙延軍向頂端新聞·河南商報記者介紹，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”。可替代現(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，未來有一天，你用的芯片可能是金剛石打造的。

       不過，趙延軍坦言，想要實現(xiàn)芯片級金剛石的工業(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)：在實驗室中研發(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)化落地過程，預(yù)計需要10~20年的研發(fā)才有可能突破。