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《金刚石工具手册》 第1篇 概论（第一次送审稿） 第1章 人造金刚石综述(方啸虎) 1.1 材料在国民经济中的作用 1.1.1材料在国民经济中的作用 众所周知，当今世界能源、材料、信息（含交通）是现代社会的、文明社会的三大支柱产业。我们还可以这样认为：所谓的能源，依托着煤炭、石油、核能，这些都可称之为能源材料；还有一部分能源，如水力发电，风能发电，地热利用等他也离不开一个一个载体，这些载体也是由材料所组成。更不用说信息（交通），没有那一项可以离开材料，所以说材料是万物之本！ 实际上在人类进步的每个阶段，始终没有离开过材料。据有的科学家考证，100万年前就用石头做工具（旧石器时代），1万年前就开始用粘土烧结为陶器（新石器时代），4000-5000年前就有了青铜器（青铜器时代），3000年前就有了铁器（进入铁器时代），2000多年前中国就开始有了钢，特别是到了18-19世纪，各种钢、有色金属得到广泛的应用，19世纪末开始有了有机材料。凡此等等都在不断地推动着世界科学技术的进步，决定了国民经济的发展。 特别是上世纪七十年代开始，人们就把材料、信息、能源誉为当代文明的支柱。到了八十年代，一场新的技术革命来临，所谓信息时代来临，技术爆炸时代来临，人们更是把新材料、信息技术、生物生命科学合称为新的技术革命。所以说，经过历史长时间的积累，人们对材料学科在国民经济的发展作用，对人们生活的改善所起的作用，体会越来越深刻。 1.1.2金刚石在材料工业中重要地位 超硬材料起步较晚，但几十年来进步很快。已经成为材料学科不可忽视的重要组成部分。特别要指出的是这些年的发展，已经使超硬材料涉及到产业部门的方方面面。总的评价是，工程性应用已经得到广泛的认可和推广，功能性应用正在积极进展。 1）工程性金刚石的主要应用领域 所谓工程性应用，是因为金刚石是世界上至今来说还是世界上最坚硬的物质（几十年来也报导制得比金刚石更硬的物质，但始终未有产业化的商品），我们就是应用它这种特殊性能于工业领域。目前主要用于以下几个方面： （1）石材工业 在国内约占总产量45%左右，众所周知，我国是当今世界石材生产第一大国，新的发展包括矿山开采、成材、抛光、造形等等无一可离开金刚石工具。 （2）机械加工类 使用的工序包括车、铣、刨、磨、镗、仿形、切槽和孔加工等。这里特别是近年发展起来的汽车工业及军事工业难加工的、所有高精度加工的无一例外。这方面国内用量约达总产的10-15%。 （3）建材建工业 当前建筑业是我国重要支柱产业，所有的建筑都离不开金刚石工具，特别是一些大型工程、车站、码头、机场，所有城市标志性工程，家居装修等等，用量之大，甚为可观。约占国内用量10%以上。 （4）钻探采掘类 据统计目前有16个系统在进行采掘，如冶金、有色、地质、水电、核工业、煤田、天然气、石材等等，都要进行钻探，据不完全统计目前国内钻头生产量达60万只。还有现代的采矿、铁路礈道、地铁工程、海底工程等都要大量应用。约占国内用量8-10%。 （5）军事、航空航天工业 其难加工材料越来越多，精度要求也越来越高，用超硬材料工具加工几乎为百分之百。约占国内用量3-5%。 （6）非金属材料加工类 宝玉石、玻璃、陶瓷加工，有了金刚石工具，则如虎添翼。约占国内用量2-3%。 （7）其它 如电子工业、生物医疗、木材加工等都在高速发展中，不再一一赘述 2）功能性金刚石的主要应用领域 所谓功能性应用就是应用金刚石的特殊性能。包括电、磁、光、热等，如低摩擦系数、高弹性模量、高纵波声速及热传导率、宽禁带带隙、高击穿电压、高电子饱和速度及相对硅和砷化镓较低的介电常数,从紫外(波长225nm)到远红外都有很高的透过率等。 （1）金刚石膜的成本在迅速下降,金刚石膜的大规模产业化前景呈现。目前国内外金刚石膜领域的应用研究热点集中在纳米和超纳米金刚石膜,以及大尺寸单晶金刚石的制备应用。 （2）纳米金刚石膜在微米和纳米机电系、生物医学和生物传感器领域的应用研究最受瞩目。 （3）大尺寸单晶金刚石是高质量的探测器材料,特别适合需要极高探测灵敏度的应用环境。单晶金刚石是作为粒子、辐射探测器的首选材料。单晶金刚石由于不存在晶界缺陷,透光率高于微米、纳米金刚石膜,在光学窗口等领域有更广泛应用。 （4）CVD金刚石的导热率比铜高五倍，是制作散热片的极佳材料。热学级CVD金刚石膜制作大功率光电子器件和大功率半导体二极管激光器的热扩散元件已应用于光通讯和军事工程。 CVD金刚石的纯度高，具有很好的透光性。光学级CVD金刚石膜在紫外线到红外线的长波范围内有很高的光谱通过性能,加之优良的热学性能、机械性能,在光学领域中有着重要而广阔的应用,是极好的光学窗口材料,可在恶劣环境中使用,例如用作紫外光、红外光、大功率微波窗口等。半球形CVD金刚石窗口在军事工程上