金刚石晶体的不同类型及应用梳理

金刚石是我们都非常熟悉的超硬材料，人造金刚石晶体有多种不同的类型，大致可分为单形和聚形，每种类型都具有不同的特性和应用。本文梳理了金刚石晶体的不同类型及应用。  

单形，就是同种晶面组成的晶体形态。比如说晶面都是（111）面或者都是（100）面组成的晶体形态就是单形，典型代表就是，方晶都是由（100）面组成，八面体都是（111）面组成。  

聚形，是由两种或两种以上晶面组成的晶体形态，也就是说聚形是由单形聚合而成。比如（111）面和（100）面聚合的形态就是六八面体聚形，这种晶型很常见，合成生产中一般都是以六八面体为主。  

金刚石单晶

金刚石单晶是由具有饱和性和方向性的共价键结合起来的晶体，是金刚石晶体中最常见的类型，其结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、同期性地排列，具有缺陷少、无晶界制约的特点，因此在导热性、硬度、透光性以及电性能上有突出的优势。

晶体结构：金刚石单晶是由具有饱和性和方向性的共价键结合起来的晶体，结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、同期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。晶体结构均匀、完整，具有均匀的化学、热力学性质。

制造方法：在热力学稳定的高温高压及触媒参与的条件下合成，国内基本都采用六面顶压机合成。

物理性质：金刚石单晶硬度大、抗磨损性能好，具有良好的导热性能和耐高温性能，能够在高温高压环境下保持稳定的物理和化学性质。

切削应用：单晶金刚石刀具的显微硬度高达10000HV，因此具有良好的耐磨性。由于单晶金刚石的刀刃可以达到原子级的平直度及锋利度，切削时可以将刀刃完美的状态，直接复制在被加工物上，加工出光洁度极高的镜面，确保获得极高的尺寸精度，并在能够在高速切削和重负荷下保持刀具的寿命和性能稳定，适用于超薄切削和超精密加工，在加工有色金属时，表面粗糙度可达Rz0.1～0.05μm， 被加工工件的形状精度控制50nm以下。同时由于其摩擦系数低，加工时变形小，因此可减小切削力。

研磨抛光：金刚石单晶分散性好，尖角的利用率更高，因此制备成研磨液时，浓度相对与多晶金刚石要低很多，其性价比也就比较高，更适合用来抛光陶瓷一类要求不那么高的材料。

导热应用：金刚石的热导性能基本上来自碳原子振动（即声子）的传播，金刚石中的杂质元素、位错和裂纹等晶体缺陷，残留金属催化剂及晶格位向等因素都会与声子发生碰撞使其发生散射，从而限制了声子的平均自由程，降低热导率。而金刚石单晶具有高度有序的晶格结构，使得其几乎没有晶界散射的影响，因此具有高达2200 W/(m·K)的导热系数，与此同时，金刚石具备化学性质稳定、高绝缘性、介电常数小等特性，基于这些优异的性能，单晶金刚石有望在半导体衬底等多领域大幅应用。

光学应用：CVD法所制备的高质量单晶金刚石，可做到完全无色透明，几乎没有任何杂质，其高度有序的晶体结构也使得光在晶体中传播时不受到结构不规则性的干扰，因而呈现出更为卓越的光学性能。它具有最宽的透过光谱，从紫外的225nm到红外的25μm（波长1.8μm-2.5μm除外），以及到微波范围内，单晶金刚石都具有优良的透过性，理论透过率高达71.6%，用单晶CVD金刚石制作的微镜片(光学仪器中的透镜、棱镜等)以及红外窗口都具有极佳的性能，目前已应用于航天领域。此外，单晶金刚石是一种性能优异的晶体拉曼材料，使得拉曼激光可以实现更高的增益、更高的功率密度和可变波长 ，为高功率激光的发展提供了新的机遇。

金刚石多晶

多晶金刚石的结构是由众多细小的纳米级小颗粒通过不饱和键结合而成，与天然的黑金刚石（以黑色或者暗灰色为主色的天然多晶金刚石）极为相似。与单晶金刚石相比，多晶金刚石晶粒呈无序排列，韧性好，具有更大的表面积，在承受更高的压力，不会出现大面积破碎。

晶粒结构：多晶金刚石是由众多细小的纳米级小颗粒聚集而成，经过提纯分级等后续处理得到不同粒度范围的多晶金刚石微粉，粒度一般不超过10微米。晶体结构不均匀，缺陷严重、脆弱，具有尖锐棱角的不规则外形。结构与天然的Carbonado极为相似。通过不饱和键结合而成，具有很好的韧性。

制造方法：金刚石多晶（微粉）是利用独特的爆破法由石墨制得，高爆速炸药定向爆破的冲击波产生高温高压，金属飞片加速飞行撞击石墨片从而导致石墨转化为多晶金刚石。一般只有几微秒的瞬间，产品多是5~20纳米的细小多晶体。

物理性质：金刚石多晶硬度不如单晶高，但仍具有优异的耐磨性能和导热性能，能够在高温高压环境下保持一定稳定性。

磨削性能：金刚石多晶的切割性能不如单晶，但具有独特的韧性和自锐性，多晶金刚石具有更多的晶棱和磨削面，在磨削过程中每条晶棱都具有磨削力，并且粗颗粒在磨削过程中会破碎脱落成更小的颗粒，这样既可以保持持续的磨削力，又避免尖锐棱角对工件表面造成划伤，既保证了样品表面的磨抛质量，又提高了研磨切削效率。与单晶金刚石比起来，更适合用来研磨表面由不同硬度材料构成的工件。

半导体领域：作为半导体材料，金刚石多晶与单晶材料的应用方向大有不同。多晶金刚石的光性能和电性能等不如单晶金刚石优异，在光学级、电子级多晶金刚石膜的应用上相对苛刻，在制备上要求沉积速率理想和缺陷密度极低或可控，但在导热方面，多晶金刚石仍有着接近2000 W/(m·K)的导热系数，因此多晶金刚石膜一般是作为半导体功率器件散热的热沉应用。相较于单晶金刚石，其沉淀的技术水平也较容易实现，制备成本的优势也更加明显。

研磨抛光：作为精密磨料，由于多晶金刚石晶粒呈无需排列，当受高压时产生的微破碎可被限制在微晶的小范围内，不会出现大的解理面破碎，具有良好的自锐性，因此允许在研磨和抛光时使用较高的单位压力。在研磨抛光过程中，随着微晶颗粒的脱落，多晶金刚石磨料会不断地露出更多同样粗糙和尖锐微晶，这意味着不论工件的方向如何，它都拥有很多的切削刃，不仅材料去除率高，而且对样品表面的抛光更柔和，可避免对工件表面造成划伤，特别适用于蓝宝石、碳化硅等衬底的加工以及用来研磨表面由不同硬度材料构成的工件。

镀膜添加剂：多晶金刚石用于金属模具、工具、部件等的镀膜，能够大大提高表面耐磨性、表面硬度、延长使用寿命。

切削刀具：相较于金刚石大单晶，多晶金刚石的无序晶体结构赋予了其更耐冲击的特性，切割时不容易产生崩裂现象。因此应用时限制较少，应用范围更为广泛，同时其与非金属和有色金属材料之间的亲和力极低，在使用过程中不易产生粘刃现象。

金刚石类多晶

由于多晶金刚石有很大的市场需求，就衍生了类多晶金刚石产品。类多晶，也就是使用单晶金刚石做原材料，经过表面刻蚀处理形成蜂窝孔洞结构，以此达到类似多晶金刚石的磨抛效果，所以叫做“类多晶”金刚石。

类多晶金刚石微粉，是介于单晶金刚石和多晶金刚石之间的新型磨料。由单晶金刚石微粉采用特殊工艺加工制成。

类多晶金刚石具有硬度适中、把持力强、自锐性强、磨削效率高、可显著降低工件表面的粗糙度等特点，应用于碳化硅、蓝宝石衬底晶片、光学镜片、陶瓷和合金等领域的精密研磨、抛光，是多晶金刚石的经济替代型产品。

金刚石聚晶

人造金刚石聚晶是一种把金刚石与结合剂在高温、高压条件下烧结而成的金刚石聚合物，它具有极高的耐热性和很高的热稳定性。广泛应用于制造石油，地质钻头，钻石加工和机械加工工具等。

聚晶金刚石既是工程材料，又是新型的功能性材料；既是高新技术产品，又是高效益的产品。随着现代工业和科学技术的发展，聚晶金刚石以其优良的力、热、化学、声、光、电等性能，在现代工业、国防和高新技术等领域中得到日益广泛的应用。

高的硬度和耐磨性：聚晶金刚石的硬度高达10000HV左右，是目前世界上人造物质中最硬的材料，比硬质合金及工程陶瓷的硬度高得多，由于聚晶金刚石硬度极高，并且各向同性，因而具有极佳的耐磨性。

摩擦系数低：聚晶金刚石与一些有色金属的摩擦系数比其它材料都低，约为硬质合金的1/2左右。低的摩擦系数不仅使变形和切削力降低，而且使切削时不产生积屑瘤，因而降低了加工表面粗糙度。

导热率高：聚晶金刚石的导热率很高，比银、铜还要好，比一般硬质合金高得多，因此在切削过程中切削热容易散出，故切削温度较低。

加工精度高：由于聚晶金刚石刀具具有较低的热膨胀系数和很高的弹性模量，因而在切削过程中刀具不易变形，在切削力的作用下刀具能保持其原始参数，长期保持锋利，切削精度高。所以使用PCD刀具进行加工时，可以减小切削力和降低切削温度，提高刀具耐用度和切削率，获得良好的加工表面。

这几种晶体可从以下几方面简单区别：

生产方法上：单晶金刚石是石墨和触媒经六面顶压机合成；多晶金刚石是经过爆炸法合成；制备金刚石多晶相对简单，成本低，广泛应用于砂轮、磨料等领域。聚晶金刚石是把单晶金刚石与结合剂在高温高压下烧结而成的金刚石聚合物。

微观结构上：在金刚石的生长过程中会出现很多种晶面，如（100）、（110）、（111）面，若单独按照某个晶面规律的外延生长，就形成单晶的，若是混合生长的就是多晶。

来源：DT新材料、磨料磨具、粉体圈

  





审核编辑：刘清