在標(biāo)示物體硬度標(biāo)準(zhǔn)的莫氏硬度量表中,1—10級(jí)硬度,人的牙冠硬度大概在7—8級(jí),是人體最堅(jiān)硬的部分。
在工業(yè)領(lǐng)域,也有一種超硬的材料,被形象地喻為“工業(yè)牙齒”。
這是個(gè)什么東西?它到底有多硬?
今天帶來(lái)《國(guó)家工業(yè)密碼》有聲故事第十集《“工業(yè)牙齒”到底有多硬?》。
牙疼不是病,“無(wú)牙”真要命
在莫氏硬度量表中,這顆“工業(yè)牙齒”的硬度是最高的10級(jí),意味著它是目前自然界存在最硬的物質(zhì)。
相信大家都猜到了,它就是大家熟知的金剛石,又稱鉆石。
由國(guó)機(jī)集團(tuán)下屬鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司(簡(jiǎn)稱“三磨所”)培育的CVD(化學(xué)氣相沉積) 鉆石
金剛石除了極高的硬度之外,還具備無(wú)與倫比的熱、光、聲、電等物理性能,用在工業(yè)領(lǐng)域,上至航空航天、國(guó)防軍工,下至石油開(kāi)采、地質(zhì)勘探,精至半導(dǎo)體芯片、電子工業(yè),各行各業(yè)都不乏其身影。
由國(guó)機(jī)集團(tuán)下屬三磨所生產(chǎn)的應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)的金剛石工具,具備高速高效高精切割、磨拋等功能,是實(shí)現(xiàn)晶圓、芯片制造環(huán)節(jié)中不可或缺的工具
既然這東西這么好,怎么才能得到呢?
20世紀(jì)50年代末,我國(guó)天然金剛石儲(chǔ)量極度缺乏,獲取金剛石嚴(yán)重依賴進(jìn)口。在西方對(duì)新中國(guó)實(shí)施了經(jīng)濟(jì)技術(shù)封鎖后,依賴進(jìn)口的工業(yè)用金剛石來(lái)源幾乎被全部掐斷。
巧婦難為無(wú)米之炊,缺少了重要的“工業(yè)牙齒”,新中國(guó)的工業(yè)變成了“無(wú)牙仔”。
為了解決這一難題,人造金剛石成為了天然金剛石的平替,如何生產(chǎn)“工業(yè)牙齒”的問(wèn)題擺在了當(dāng)時(shí)科技工作者的面前。
第一顆“工業(yè)牙齒”的誕生
金剛石和石墨都是碳元素的不同形態(tài)。
人造金剛石的生產(chǎn)過(guò)程,就是將石墨變成金剛石的過(guò)程。
1955年,美國(guó)通用電氣公司專(zhuān)門(mén)制造了高溫高壓靜電設(shè)備,得到世界上第一批工業(yè)用人造金剛石小晶體,從而開(kāi)創(chuàng)了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)人造金剛石的先河。
不久,杜邦公司發(fā)明了爆炸法,利用瞬時(shí)爆炸產(chǎn)生的高壓和急劇升溫,也獲得了幾毫米大小的人造金剛石。
1960年10月,原國(guó)家第一機(jī)械工業(yè)部設(shè)立了代號(hào)為“121”的研制人造金剛石的國(guó)家重點(diǎn)課題,由北京通用機(jī)械研究所、鄭州磨料磨具磨削研究所等組成聯(lián)合課題組進(jìn)行攻關(guān)。
這兩家企業(yè),也是國(guó)機(jī)集團(tuán)下屬企業(yè)——合肥通用機(jī)械研究院有限公司和鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司(簡(jiǎn)稱“三磨所”)的前身。
早些年,馬路邊上經(jīng)常能看到崩爆米花的攤位,一個(gè)黑色的“炮臺(tái)”在爐頂上不停地旋轉(zhuǎn),底下燒著火。
如果“運(yùn)氣好”,路過(guò)的時(shí)候剛好爆開(kāi),巨大的響聲經(jīng)常會(huì)嚇人一跳,不知道的以為哪里在放炮。
這和制造金剛石的過(guò)程有一些相像,在持續(xù)高溫高壓的環(huán)境下,把“爆米花鍋”換成研制金剛石的兩面頂壓機(jī),加上復(fù)雜的壓力、溫度等環(huán)境因素,最終將石墨轉(zhuǎn)變成金剛石,這就是人造金剛石的生產(chǎn)過(guò)程。
但密封不嚴(yán)會(huì)造成實(shí)驗(yàn)失敗,沉重而昂貴的設(shè)備會(huì)崩裂損毀,發(fā)出巨大的爆炸聲,像“開(kāi)炮”一樣,因此科研人員又戲稱自己是“炮兵”。
1963年12月6日的晚上,在第32次試驗(yàn)中,兩面頂壓機(jī)中出現(xiàn)了閃閃發(fā)亮的神秘晶體,這意味著中國(guó)終于研制成功了第一批人造金剛石,成為世界上第六個(gè)掌握人造金剛石技術(shù)的國(guó)家。
人造金剛石顆粒合成塊
1963年,北京,中國(guó)首次成功合成人造金剛石
這是個(gè)十足的好消息,我國(guó)僅用了3年,就擁有了自己的人造金剛石生產(chǎn)技術(shù)。
但問(wèn)題隨之而來(lái),裝備效率低下、成本昂貴是不爭(zhēng)的事實(shí),想擁有一口完整的“工業(yè)牙齒”依舊不能實(shí)現(xiàn),我們還需要更高效的工業(yè)化生產(chǎn)手段。
從一顆牙到“一口好牙”
1964年4月,由鄭州磨料磨具磨削研究所牽頭,聯(lián)合濟(jì)南鑄鍛所(現(xiàn)隸屬于國(guó)機(jī)集團(tuán))等開(kāi)始研制鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī),以實(shí)現(xiàn)人造金剛石的機(jī)械化量產(chǎn)。
1995年,鄭州,我國(guó)第一臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的人造金剛石合成裝備——“功勛壓機(jī)”退役時(shí)照片
在研發(fā)過(guò)程中,科研人員獲得了一份特殊的獎(jiǎng)勵(lì)——一碗羊肉燴面。
1964年的光景,國(guó)家剛度過(guò)三年自然災(zāi)害,填飽肚子都是奢望,更別提能吃上這一碗飄著油花兒的羊肉燴面了。
1965年11月5日,在超過(guò)1300℃的高溫和數(shù)萬(wàn)倍大氣壓下,“鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)”內(nèi),比指甲還軟的石墨邊緣,終于出現(xiàn)了點(diǎn)點(diǎn)星光般的金剛石,慢慢地一顆顆晶體匯聚成一片“星河”,這也意味著這臺(tái)壓機(jī)可以量產(chǎn)人造金剛石了,新中國(guó)的工業(yè)發(fā)展真正實(shí)現(xiàn)了武裝到“牙齒”的壯舉。
這臺(tái)壓機(jī)在當(dāng)年便生產(chǎn)出人造金剛石10000克拉,在服役的30年時(shí)間中,共完成約150萬(wàn)次的合成,被譽(yù)為“功勛壓機(jī)”。
矗立在國(guó)機(jī)集團(tuán)下屬三磨所院內(nèi)的功勛壓機(jī)
在越來(lái)越成熟的裝備加持下,2023年中國(guó)人造金剛石產(chǎn)量突破250億克拉,占全球產(chǎn)量的95%以上。
不僅能完全滿足國(guó)內(nèi)需求,而且大量出口國(guó)際。
現(xiàn)在,從深地鉆探到航空航天,從新能源光伏到IC芯片制造,都在使用人造金剛石,最鋒利的“工業(yè)牙齒”正在啃下一塊又一塊硬骨頭,在中國(guó)工業(yè)化進(jìn)程中散發(fā)著璀璨耀眼的光芒。
國(guó)機(jī)集團(tuán)下屬鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司生產(chǎn)的石油鉆探行業(yè)用產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用于深井、超深井,深海油、頁(yè)巖氣等復(fù)雜強(qiáng)研磨地層油氣鉆采
人造金剛石顆粒電鏡圖片
75載歲月崢嶸,在中國(guó)共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)下,新中國(guó)在幾乎“一窮二白”的基礎(chǔ)上,建立起今天門(mén)類(lèi)齊全的現(xiàn)代工業(yè)體系。千千萬(wàn)萬(wàn)國(guó)有企業(yè)建設(shè)者用智慧和血汗筑就了立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基、富國(guó)之源。如今,國(guó)有企業(yè)作為新型工業(yè)化的主力軍,在航空航天、信息技術(shù)、能源電力、裝備制造等領(lǐng)域打造出一大批領(lǐng)跑全球的重大成果,推動(dòng)我國(guó)工業(yè)實(shí)現(xiàn)高端化、智能化、綠色化的歷史性變革。
新中國(guó)成立75周年之際,國(guó)務(wù)院國(guó)資委新聞中心聯(lián)合新華網(wǎng)、云聽(tīng)APP、喜馬拉雅APP、機(jī)械工業(yè)出版社推出《國(guó)家工業(yè)密碼》——有聲故事網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)傳播活動(dòng),以國(guó)有企業(yè)工業(yè)文化遺產(chǎn)為起點(diǎn),回顧國(guó)資央企打造工業(yè)體系的生動(dòng)故事,解析寶貴經(jīng)驗(yàn)的奮斗密碼,展望以中國(guó)式現(xiàn)代化全面推進(jìn)強(qiáng)國(guó)建設(shè)、民族復(fù)興偉業(yè)的光明前景。
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