中國粉體網(wǎng)訊 近日，國家知識產(chǎn)權(quán)局公布了中國石油化工股份有限公司（以下簡稱“中國石化”）一項(xiàng)名為“一種CVD金剛石自支撐膜及其制備方法”的專利（公開號CN 119685788 A）。這項(xiàng)技術(shù)不僅標(biāo)志著我國在超硬材料領(lǐng)域的關(guān)鍵突破，更可能為半導(dǎo)體、光學(xué)、新能源等高端產(chǎn)業(yè)注入“鉆石級”的硬核支撐。
CVD金剛石膜：為何被稱為“工業(yè)鉆石”？
金剛石膜憑借其硬度高、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性高、禁帶寬度大、介電系數(shù)小等優(yōu)異的理化性質(zhì)，在超硬刀具、地質(zhì)勘探、高功率半導(dǎo)體、高功率微波窗口等領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用場景。
當(dāng)金剛石膜厚度達(dá)到一定尺寸(>1mm)，則稱其為CVD金剛石自支撐膜，可擴(kuò)展作為石油鉆探切削元件使用，取代目前常用的聚晶金剛石(PCD)鉆頭切削元件。
自20世紀(jì)低壓CVD技術(shù)成功制備金剛石以來，全球圍繞其工業(yè)化應(yīng)用的競爭從未停歇。傳統(tǒng)金剛石膜存在厚度不均、韌性不足、熱絲積碳等問題，限制了大規(guī)模應(yīng)用。近年來，隨著微波等離子體CVD等技術(shù)的成熟，美、日等國的企業(yè)已將其用于紅外窗口、高功率激光器件等尖端領(lǐng)域。我國雖起步較晚，但通過熱絲CVD、直流電弧等離子體噴射等技術(shù)，逐步縮小了與國際差距。
北京科技大學(xué)使用 DC Arc Plasma Jet CVD 制備的金剛石膜板宏觀照片
圖源：劉金龍等. CVD金剛石自支撐膜的研究進(jìn)展
專利詳解：如何“種”出一張金剛石膜？
中國石化此次公開的專利，聚焦于“自支撐膜”，厚度是毫米級，為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，由金剛石相含量高的增硬層和金剛石相含量較低、石墨相含量較高的增韌層交替排列而成。
本發(fā)明所提供的CVD金剛石自支撐膜制備方法通過在熱絲沉積系統(tǒng)中間歇性引入氧元素，利用氧對石墨相碳的定向刻蝕作用，有效減緩熱絲積碳現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的長時(shí)間穩(wěn)定沉積，同時(shí)凈化CVD金剛石，細(xì)化晶粒，提高其力學(xué)性能。
該CVD金剛石膜具有良好的硬度及韌性，可作為切削元件用于石油鉆探等地質(zhì)勘探領(lǐng)域，其制備方法是在基底上交替沉積增硬層和增韌層，包括如下步驟：
1）采用第一沉積工藝在基底上沉積增硬層，所述第一沉積工藝為將第一氣相流、第二氣相流和第三氣相流分別通入CVD金剛石沉積爐，設(shè)施參數(shù)為第一沉積工藝參數(shù)，并運(yùn)行第一沉積時(shí)長；
2）采用第一過渡工藝對步驟1中的第一沉積工藝進(jìn)行過渡處理，所述第一過渡工藝為停止通入第一氣相流和第三氣相流，調(diào)整第一沉積工藝參數(shù)為第一過渡工藝參數(shù)，并運(yùn)行第一過渡時(shí)長；
3）采用第二沉積工藝在步驟2得到的增硬層上繼續(xù)沉積增韌層，所述第二沉積工藝為將第一氣相流、第二氣相流分別通入CVD金剛石沉積爐，設(shè)置CVD金剛石沉積爐沉積參數(shù)為第二沉積工藝參數(shù)，并運(yùn)行第二沉積時(shí)長；
4）采用第二過渡工藝對步驟3中的第二沉積工藝進(jìn)行過渡處理，所述第二過渡工藝為停止通入第一氣相流，調(diào)整第二沉積工藝參數(shù)為第二過渡工藝參數(shù)，并運(yùn)行第二過渡時(shí)長；
5）重復(fù)操作步驟1至步驟4，直至CVD金剛石自支撐膜厚度達(dá)到要求
應(yīng)用場景：從芯片散熱到太空探索
金剛石自支撐膜的產(chǎn)業(yè)化，將徹底改寫多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)路線：
1.半導(dǎo)體散熱：5G/6G芯片、高功率激光器的散熱需求激增，金剛石膜的熱導(dǎo)率（約2000 W/m·K）是銅的5倍，可大幅提升設(shè)備穩(wěn)定性；
2.光學(xué)窗口：用于導(dǎo)彈整流罩、深空探測器，耐受極端溫度與輻射環(huán)境；
3.機(jī)械加工：作為超硬刀具涂層，壽命提升數(shù)十倍，助力精密制造；
4.新能源領(lǐng)域：氫燃料電池質(zhì)子交換膜、核聚變裝置內(nèi)壁涂層的潛在應(yīng)用。
參考來源：
1.國家知識產(chǎn)權(quán)局，金融界，證券之星以及網(wǎng)絡(luò)公開信息
2.劉金龍等. CVD金剛石自支撐膜的研究進(jìn)展. 表面技術(shù)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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