■ 陈秀英 戴洁 李约瀚
天然钻石储量有限且开采成本高昂，杂质含量难以精准调控，制约了其在工业中的规模化应用。高温高压法（HPHT）和化学气相沉积法（CVD）是目前合成钻石的两种主流技术，前者在高温高压条件下以石墨粉和金属触媒为原料，促使碳原子发生相变，转化为立方面心晶格结构；后者通过含碳气体在低压高温环境中激发等离子体，使碳原子在籽晶表面外延沉积生长。两种方法制备的合成钻石与天然钻石具有相同的物理化学性质，其热稳定性与耐磨性能为精密加工、热管理、半导体等工业领域提供了关键材料支撑。随着合成技术的持续进步，合成钻石的晶体质量不断提高，应用边界也在逐步拓展，成为材料科学与工程领域的研究热点。
合成钻石热稳定性与
耐磨性能的影响机制
热稳定性的影响因素。首先，钻石的主要短板在于耐热性不足，高温环境下易在空气中发生石墨化与氧化反应。气氛环境对钻石热稳定性的影响十分显著：纯氧环境中，钻石的燃点约为720-800℃；空气中则为850-1000℃，反应产物均为CO、CO₂气体；而在真空或惰性气体氛围中，石墨化与氧化的发生可被进一步延缓。由此可见，氧气是触发钻石向石墨转变的关键环境因素，因而钻石合成过程中需特别注重气氛保护与温度控制。其次，高温高压法合成钻石时会引入金属触媒包裹体——在晶体生长过程中，部分金属触媒会被包裹在钻石内部。这些包裹体的热膨胀系数远高于钻石本身，受热膨胀后会在晶体内部产生内应力，在缺陷处形成应力集中并引发微裂纹，进而降低钻石的抗压强度，严重时甚至导致晶体碎裂。由于包裹体存在于晶体内部，无法通过后处理手段消除，只能通过优化合成工艺减少其含量；筛选阶段可采用磁选法剔除杂质较多的产品，因钻石本身无磁性，磁性越强意味着包裹体含量越高，热稳定性也就越差。最后，在晶体表面施加合适的镀层是提升合成钻石整体热稳定性的有效手段，其原理是通过物理隔绝阻断氧气与晶体的接触。研究表明，Ti或Ti-Cr合金镀层具有优异的耐氧化能力，能有效防止高温烧结过程中的氧化损伤；同时，镀层中不宜含有铁、钴、镍等元素，否则高温下会催化钻石向石墨转化，加剧热损伤。
耐磨性能的影响因素。合成钻石的耐磨性主要源于其立方面心晶格结构赋予的高硬度与低摩擦系数。CVD单晶钻石内部无晶界，刀具刃口可实现原子尺度的平直度与锋利度；通过超光洁表面与无缺陷副切削刃的协同作用，加工表面能达到镜面效果，使其在高硅铝合金、陶瓷等难加工材料的超精密切削中表现突出。聚晶金刚石（PCD，即多晶钻石）由钻石微粉与少量结合剂经高温高压烧结而成，兼具高耐磨性、强抗冲击韧性与良好热稳定性，是单晶钻石之外的另一重要应用形态，广泛用于石油钻头与机械加工等领域。晶型完整、杂质含量低的合成钻石抗压强度更高，耐磨性能也更优异；而晶型不完整、表面存在缺陷的钻石，在摩擦热积累下更易发生氧化与石墨化，导致切削性能下降。
合成钻石在工业领域的应用
精密切削加工。CVD单晶钻石车刀是精密和超精密加工领域的成熟应用。其无晶界的刃口结构可加工出镜面效果，广泛用于精密光学仪器反射镜、计算机硬盘等超精密零件的加工，也可用于复印机滚筒、隐形眼镜等日常用品的生产。在加工高硅铝合金等航空零部件时，单晶钻石刀具寿命更长，可省去后续抛光工序，降低加工成本。钻石拉丝模是合成钻石在工业上的另一成熟应用，凭借其高硬度和低摩擦系数，在金属丝拉伸工艺中表现出色，被称为“工业牙齿”。
电子器件热管理。钻石在已知物质中具有极高的热导率，是铜的5倍；同时，除天然ⅡB型钻石为半导体外，其他钻石均为绝缘体，这一特性使其成为高功率密度电子器件的首选散热材料。在高功率射频放大器、激光器等器件中，钻石散热片能快速传导热量，降低器件工作温度，提高运行稳定性和使用寿命。目前，CVD钻石与GaN的晶圆级集成已取得研究进展，可在射频条件下实现更高功率密度，为基站和车载功率模块的散热难题提供了可行方案。此外，钻石增强金属基封装材料（如Diamond/Cu、Diamond/Al复合材料）已实现商业化应用，进一步拓展了合成钻石在热管理领域的应用范围。
半导体与量子技术应用。钻石具有超宽禁带，被业界誉为“终极半导体材料”，其高击穿电场与高载流子迁移率的特性，使其能适配高温、高频、强辐射等严苛工况下的电子器件，在5G通信、卫星通信等对高频高功率器件需求迫切的领域展现出广阔应用前景。在量子技术领域，钻石中的氮-空位（NV）色心在室温环境下具有稳定的量子相干性，可通过激光操控其自旋态并读取量子信息，在量子传感、量子通信与量子计算等方向具有重要应用潜力。此外，NV色心还可作为单光子源用于量子密钥分发，为量子通信的安全性提供物理层面的保障。
（陈秀英单位：青岛幼儿师范高等专科学校珠宝学院；戴洁单位：陕西国际商贸学院珠宝学院；李约瀚单位：青岛信德臻宝教育科技有限公司）
【课题名称】本文系山东省社科联2025年度人文社会科学课题合作专项“泰山玉文化的当代价值与创新转化路径研究”。