创新发展 迈向高端

2020-05-29

       人的认知能力有时代的局限性,但随着科学技术的进步与发展而提高,无论是宏观世界或微观世界都有未知事物有待探索与发现。

  世界上有了矛的攻击就会有盾来防守,有了盾还会有更尖锐的矛来攻破之,一物降一物。事物的发展如斯交替循环提升,永无止境。超硬材料的发展亦然。

  金刚石以其特硬的性能用作工具已有数千年的历史。金刚石的应用促进了近代和现代工业和科学技术的发展。长期以来在军事工程和高端科技领域,金刚石是不可或缺的重要战略物资。

  要想获得成功就要有一种强烈的创新和开拓意识。怎样才能做到这一点呢?那就是从我们的未知领域入手,向别人没有涉足的地方迈进。只有这样,才能在你涉及的领域中,成为一个开拓者并留下闪光足迹。

  在竞争激烈的今天,一味走老路,因循守旧,是没有出路的。只有不断创新,不断进取,才能开拓一条新路,才能把事业做强做大。

  1.金刚石深孔钻的优势及其应用新领域

  矿产资源对人类生存和发展而言是重要物质基础,矿产在我国产业经济处于“上游”地位,对社会产业链有很大影响。我国历来是矿业贫乏(人均占有量)的国家,无论是黑色金属还是有色金属,乃至非金属矿产。各届政府一直将矿产资源勘探和开发摆在重要的位置。目前,中共中央、国务院推行“一带一路”倡议,已初见成效,但立足国内、立足西部、立足深孔钻进,仍是获得矿产资源的主要方向。

  1.1我国矿产的主要特点

  现阶段,我国矿产资源的主要特点是:(1)矿产总量丰富,产种齐全,但人均占有量少;(2)矿产质量贫富不均,贫矿多,富矿少,开发利用难度大,大多数金属矿产保有储量低,可利用的经济基础储量少;(3)支柱性矿产质量和产出条件差;(4)资源分布与加工消费区不匹配;(5)共生伴生矿多,单矿种矿床少,分选冶炼困难,综合利用水平低。

  1.2找矿的战略方针主要着手点

  综合国内外深部找矿经验,我国现阶段深部找矿战略方针主要从以下几方面着手:(1)加强深部成矿作用与成矿预测成矿理论研究,对已有理论、假设、模式等,不应拒绝,也不能盲从,要在实践中不断修正;(2)加强已知矿床深部及傍侧部分的勘探,多发现的矿产都产在已知成矿区带内;(3)在深部找矿过程中,应结合已有基础进行创新、多采用新思想、新技术、设备、新方法进行指导,在提高深部找矿过程中勘探效率的同时,提高深部找矿成功率。

  1.3金刚石深部钻进的优势

  金刚石钻进在深部钻探中的优势主要体现在以下几个方面:(1)金刚石钻头在坚硬地层中钻进具有优良的使用效果。金刚石钻进对坚硬岩石的破碎效果高于硬质合金,能适应深孔的要求。(2)硬质合金钻进、冲击钻进等其他钻进方法在深孔钻探中经济性较差,随理着勘探深度的增加,勘探成本呈几何倍数递增,达不得到勘探所需要的经济效果。而金刚石钻进在深部钻进却能保持良好的经济性,价比高。(3)与金刚石钻头匹配套的绳索取芯钻进,能实现不提取钻取芯钻进,在深孔钻进中能减少起下钻头时间,在一定程度上提高工作效率,节约勘探成本。(4)一系列与绳索取芯相关的技术可应用在深孔钻进中,指导着深部钻探。如深孔孔内参数实时监测,参数采取和随钻预警等技术,使信息化程度捉提高。

  2.金刚石应用于钻探的新领域

  2.1金刚石钻头在钻探领域的地位与功能

  着名的油气钻探专家苏义脑院士曾精辟地评价金刚石钻头在钻探领域的位置:在钻探过程中和技术链中,钻头永远处于前沿和核心的位置。虽说首推钻头,但不是说要降低其他方面的重要性。只有将信息、控制等技术组成一个整体发挥作用才是关键。

  金刚石钻头是钻探体系中的先导、是关键,是钻探提速的突破口。钻探必须提速,因为钻探是影响了国民经济多个领域,包括地质矿产钻探、科学钻探、海洋深水地质钻探、南极冰上钻探及月球月壤的取样钻探等等。所以钻探已从过去狭隘的矿产钻探迅勐发展为多方位多领域的“大钻探”的概念。

  与金刚石钻头息息相关的行业——超硬材料行业,也必须先行,发展速度要走在金刚石钻头行业的前面。俗话说“好钢用在刀刃上”,钻探行业急需“好钢”。例如大颗粒高强度金刚石;高强度、高抗冲击能力、高磨耗比、热稳定性而高的复合片;适用于干钻的单晶和复合片(可用于月球钻探)以及万米深钻及未来三万米超深钻(钻入地幔)用的耐地下高温、高压的单晶和复合片。

  2.2向未知领域地幔进军

  最少要3万米以深的钻孔,这是美国科学家至今未敢做的事,我们中国人要敢于做起来,让中国走在地球科学研究的前沿,在世界地球科学的研究中处于领跑地位而不是以前的模仿和跟跑的地位。

  地球深部科学研究势在必行,习近平主席2016年5月30日在全国科技创新大会的讲话中指示“向地球的深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。为此,科技部、财政部支持,国土资源部组织实施了一项重大科学计划——深部探测专项。但我们钻头领域和超硬材料行业,要提前研制耐高温高压、耐用高效的钻头和超硬材料,否则钻进地幔的计划难以完成。

  3.超硬材料的精密加工

  精密加工指加工精度在0.1--1m,加工表面粗糙度在Ra0.02--0.1m之间的加工方法,是国家制造工业水平的重要标志之一,是现代高技术产业发展的基础。

  超硬材料广泛用于汽车、空调压缩机、轴承、半导体、5G手机背板、石油钻进以及生物医疗等领域的精密加工中。超高速CBN砂轮、PCD/PCBN超硬刀具,金刚石超薄砂轮等超硬制品在汽车发动机、空调压缩机的活塞、 汽缸以及半导体芯片等精密加工中发挥着极重要的作用。

  几年前,空调压缩机行业用的CBN砂轮几乎全部使用国外产品,目前已被全面替代,它是超硬材料精密加工中取代国外产品最成功的范例。

  国外已经研发出了加工钛合金、碳纤维复合等新型难加工材料用的金刚石刀具,并已通过有关认证,在波音和空客公司成功使用。航空航天是超硬材料下一步应用拓展的十分有前景的领域,应当重点关注。

  中国本土的轴承企业目前仍以普通磨料砂轮为主,主要原因是国内轴承行业整体水平落后,不能适应高速磨削的发展,导致CBN砂轮在国内现有设备上无法使用。轴承行业产量大,是CBN砂轮应用拓宽很重要的一个领域。

  电子通讯是超硬材料最近几年成功应用的领域。随着5G时代的到来,5G手机背板的选材成为热点,目前判断会以氧化锆陶瓷为主。氧化锆陶瓷属于难加工材料,但手机行业的特点是批量大,加工效率和成本要求高,这些都是超硬材料加工的优势,因此对超硬材料行业来说应该是重大机遇。

  近年来中国油气钻井用PCD复合片取得了很大进展,大部分产品性能与国外同类产品接近,而价格却为国外产品的80%。但在高端钻头和关键部位应用上,国内产品所占份额仍然较少。目前,国内与国外的差异主要表现在产品的稳定性与产品结构上。要加大稳定性和针对性以及结合剂的研究,针对不同的加工对象,研究细分产品。同时,启动直径70mm产品的研发,争取在较短时间内大幅度替代进口产品。

  人体植入是近年来医用领域中的热门方向,在植入体表面镀金刚石膜,能优化其体内的物理化学特性和生物相容性,在医用材料中加入金刚石成分优化其性能。利用纳米金刚石颗粒独特的惰性、生物相容性等性能用于医疗领域中,包括蛋白质分离、载药、标记、抗癌治疗、杀菌等方面有广阔的前景。

  NPD具有未来工业超硬材料的潜质,在精密加工中会有很好地应用。近几年实验室合成工艺已基本成熟,在应用中也取得了良好进展,下一步要加强工程化力度,大幅度降低成本,争取早日投入商用。

  加强金刚石和CBN功能性研究与应用,是行业未来可持续发展的重要途径和方向。

  加强基础性研究,主打创新战略,培养自己的民族品牌。重视超硬材料及制品的基础研究,提高其理论水平,是我国打破国外技术封锁、提高自主研发水平、由超硬材料大国迈向强国的核心内容和必经之路。

  行业人士要重视和解决这些问题,不断开拓创新,提升产品质量和附加值,培育自己的民族品牌,在高端超硬制品领域抢占国际市场。实施产学研联合攻关,加大研发及产业化力度,也要加强超硬材料行业上下游之间产业链的合作,实施全方位、多层次的突破,来真正实现我国超硬材料强国梦。

  4.环形金刚石线锯技术

  “十三五”规划期间,我国的蓝宝石行业呈爆发性发展趋势,下游应用市场持续高速成长,如LED衬底市场、军用及民用光学窗口等需求增长以及新型手机屏幕等应用的需求激增。蓝宝石硬度达到9,属于难加工材料,晶体越大越难加工。发挥环形线的性能优势,克服短板,是解决蓝宝石上游切割加工生产链的关键途径。

  其他如人工光电晶体(大尺寸KDP)是昂贵的国防军工材料,由于其材质软且脆,易潮解,是当前世界上公认的难加工材料。而目前使用的带锯切割方法,切口大,易破损,甚至在切割过程中经常产生炸裂,造成灾难性的损失。天瑞公司创新设计的TXJ-1000型金刚石线切割机和环形线,正是克服带锯难点的最佳方案,是解决KDP晶体切割攻关的一大创新。该方法切割力小,切缝窄,切割效率高,实现对贵重脆性材料的低应力切割。

  但是,在切割硬度高的蓝宝石时,却暴露出环形线的短板。一是线径不够细;二是工作寿命短。因此,在设计时遇到难题,必须有意增加线的周长,提高线的寿命,从而结构显得庞大不紧凑。要提升竞争力,关键在于创新,切割机要发展也要不断创新,克服短板,才能在竞争中立于不败之地。

  蓝宝石在智能手机和穿戴设备领域的应用,取决于切割晶片成本的降低,切割面积越大,环形线锯的优势明显,一旦成功,即可创造大价值。

  靶材加工是个新兴产业。由于智能手机、平板电脑等移动终端的流行,市场需求量也非常之大。环形线锯十分适合陶瓷靶材的切割。尤其国内靶材生产企业向高端靶材产品发展,靶材密度偏高,用电火花或带锯切割效率低,耗材大。所以,环形金刚石线锯技术一定会获得广泛推广。

  5.超硬磨料切割片研究

  切割片隶属于砂轮是用料和结合剂等通过粉末烧结、电镀、钎焊等工艺制作而成的,用于石材、普通钢材、不锈钢金属以及其他非金属材料的切割加工。随着科学技术的日新月异,切割片的加工对象也不仅仅局限于石材、普通金属等传统材料的切割加工,如今向着硅片、陶瓷、晶体等坚硬难磨非金属材料的方向延伸切割片种类也更加齐全。

  切割片正在朝着精密、超精密、超薄的方向发展。21世纪,随着国民经济的发展以及国家对环保理念的宣传,切割片的应用也不断进入新领域,比如LED领域蓝宝石的加工、光伏半导体、晶体硅、陶瓷以及其他脆硬材料的加工,遍及汽车行业、电子信息产业以及航空等多个领域。

  半导体设备是电子工业的基础,它是世界上最大的工业。相比传统的石材、金属等的加工,新兴领域对切割片的性能提出了更高要求,要求切割片有更高的精度、更好的性能以及更复杂的制作工艺。使得切割片朝着超高速(150--500M/S)和超精密(亚微米--纳米)的方向发展。这对整个切割片行业来说都是一个很大的挑战。

  根据相关研究表明,金属结合剂和树脂结合剂或陶瓷结合剂研制出来复合切割片,具备金属结合剂切割片结合力高和陶瓷结合剂切割片自锐性好等优点。据此我们可以相信这种金属结合剂与树脂结合剂以及陶瓷结合剂制备出来的切割片即复合结合剂切割片,在未来切割片的发展具有很大的潜力。

  探索新的加工工艺会成为切割片未来发展的一条出路;传统加工工艺都存在一些不足,比如电镀工艺制备的切割片对金刚石的把持力不高、钎焊法容易因高温灼伤金刚石等等。那么探索全新的加工工艺将成为切割片的发展需要。

  6.殷切期待

  在高档产品国内外市场仍主要被发达国家所占据的当下:我们必须由产业的低端向高附加值环节延伸,主要由消耗资源,以量的扩张实现增长,转向依靠技术创新,提高劳动者素质,以提高效率推动企业发展。这是一种不可抗拒的大趋势,对企业来说“顺者昌,逆者亡”。因此,必须把追求数量胜于追求质量的发展模式尽力引导转变到高效、高附加值模式的轨道上来,必须从偏重低技术含量产品生产转向注重高技术含量产品生产的轨道上来,必须从步国外产品后尘转向自主创新控制技术制高点的轨道上来,必须从因循守旧转向思维创新的轨道上来。必须从无序低价格竞争转向到自主技术创新的价值竞争的轨道上来,必须从关注工艺技术转向关注基础理论研究的轨道上来。多出技术难度大,含金量高的成果;多开发引领相关工业领域技术进步的前瞻性产品。

来源:金刚石