中国粉体网讯  金刚石因其具备超高硬度、出色热导率、良好光学性能以及化学稳定性等固有特性，在半导体、超精密加工、激光技术、电化学传感等诸多关键领域有着不可替代的应用价值。现阶段，工业金刚石的合成手段主要集中在高温高压（HPHT）法与化学气相沉积法（CVD）这两大类别。高温高压法合成金刚石，其原理是在高温（一般1000℃以上）和高压（5GPa以上）条件下，使碳源（如石墨）在金属催化剂的作用下发生相变，碳原子的排列结构从石墨的层状结构转变为金刚石的立方晶格结构，从而形成金刚石。据行业统计与调研数据显示，当前约90%的工业金刚石是通过HPHT技术来合成的，这凸显了HPHT技术在工业生产体系里的核心地位，也促使对其在功能金刚石材料制备方面的深入研究显得尤为必要，关乎众多产业能否实现进一步的技术突破与升级。

HPHT相较于CVD工艺的优势剖析

（一）成本方面

设备成本较低：高温高压法所使用的设备相对简单，主要是六面顶压机等，其结构较为紧凑，制造成本相对不高。而化学气相沉积法需要配备复杂的真空系统、气体输送系统、微波或射频发生装置等，这些设备的研发、制造和维护成本都较高。

生长速度快：高温高压法合成金刚石的速度通常比化学气相沉积法快，能够在较短的时间内获得一定尺寸和产量的金刚石，从而提高生产效率，降低单位生产成本，适合大规模工业生产。

原料成本低：高温高压法的主要原料是石墨粉和金属触媒粉等，这些原料来源广泛，成本相对较低。而化学气相沉积法需要使用高纯度的甲烷、氢气等气体作为碳源，这些气体的制备和提纯成本较高，增加了生产成本。

（二）产品性能方面

硬度和耐磨性高：高温高压法合成的工业用金刚石具有与天然金刚石相近的硬度和耐磨性，在钻探、切削、磨削等工业加工领域能够表现出优异的性能，有效提高加工效率和产品质量。

热稳定性好：高温高压法合成的金刚石在高温环境下的稳定性较好，能够承受较高的温度而不发生明显的性能变化，适用于一些需要在高温条件下进行加工或使用的工业场景，如高温炉的部件制造、金属材料的热加工等。

技术成熟度高：高温高压法合成金刚石的技术已经发展了几十年，技术相对成熟，工艺稳定可靠。生产过程中的各项参数控制和操作流程已经较为完善，能够保证产品质量的稳定性和一致性。而化学气相沉积法虽然近年来发展迅速，但在大规模工业生产中仍面临一些技术难题，如如何进一步提高生长速率、降低缺陷密度、实现大尺寸单晶金刚石的稳定生长等，技术成熟度相对较低。

（三）产品尺寸和形状方面

小颗粒金刚石产量高：高温高压法在合成小颗粒金刚石方面具有优势，能够大量生产粒度均匀、品质稳定的小颗粒金刚石，满足工业生产中对金刚石微粉等小颗粒产品的大量需求，如用于制造研磨膏、抛光液、金刚石线锯等。

可合成异形金刚石：通过调整模具和工艺参数，高温高压法还可以合成各种形状的异形金刚石，如片状、柱状、针状等，以满足不同工业应用场景对金刚石形状的特殊要求，如用于制造刀具的刀片、钻头的切削刃等。而化学气相沉积法主要以生长薄膜状或片状金刚石为主，在合成异形金刚石方面相对困难。

HPHT在核心功能金刚石材料制备的前沿进展

（一）大尺寸单晶金刚石

当前，凭借对HPHT设备温度、压力控制系统的精细化调校，结合前沿的触媒材料研发成果以及精准的籽晶定向生长技术，科研团队已在大尺寸单晶金刚石合成领域取得重要突破。如济南金刚石科技有限公司实现了最大粒径20mm大尺寸金刚石单晶的生长，且拥有成熟的厘米级尺寸金刚石单晶生产与加工工艺。但是HPHT法受高压设备体积限制，晶体尺寸提升空间有限。并且使用该方法时需引入催化剂促进成核，导致金刚石内部杂质难以有效减少，影响其在电子级半导体等对纯度要求高的领域的应用。

（二）多晶金刚石

HPHT法合成的多晶金刚石具有硬度高、耐磨性强等特点，广泛应用于制造刀具、钻头、磨具等工业领域，能够有效提高加工效率和产品质量。通过调整工艺参数，如温度、压力、保温时间等，可以控制多晶金刚石的晶粒尺寸、相组成和性能，以满足不同工业应用场景的要求。

（三）掺硼金刚石（BDD）

在BDD材料研发进程中，科研人员通过精心设计合成工艺路线，精准引入特定杂质元素、营造多元气氛环境，借助HPHT技术成功激活BDD材料独特的电学、力学与化学性能组合优势。硼掺杂金刚石单晶的掺杂效果主要表现为导电性的改变。在高温高压下，硼原子取代金刚石单晶中的碳原子，形成硼掺杂金刚石单晶。硼原子的加入使金刚石单晶中的空穴浓度增加，从而提高了材料的导电性。当下，BDD电化学传感器凭借超宽禁带宽度（通常大于5eV）、优异化学稳定性以及良好导电性，在环境监测、水质检测领域得到广泛应用，能够精准检测出水中痕量重金属离子，为生态环境安全提供了可靠保障；在生物医学检测领域，BDD电极凭借独特表面性质与电化学反应活性，对复杂生物样本响应迅速、检测准确，为疾病早期诊断、生物标志物精准检测提供了新途径。

（四）金刚石-铜导热材料

金刚石-铜导热材料结合了金刚石的高导热性和铜的良好导电性与机械加工性能，具有超高导热、高电阻率、高击穿场强、低介电常数、低热膨胀等特点，能有效解决高功率电子元件的散热问题，提高电子产品的性能和可靠性，在5G通信、新能源汽车、航空航天等领域有重要应用需求。通常采用粉末冶金、电镀、化学镀等方法将金刚石颗粒与铜基体复合在一起，但存在金刚石与铜界面结合强度低、金刚石含量受限等问题。HPHT法为制备金刚石-铜导热材料提供了新途径，可在高温高压下实现金刚石与铜的直接结合，提高界面结合强度和材料的综合性能。

2024年12月24日，中国粉体网将在河南·郑州举办“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到河南工业大学教授栗正新出席本次大会并作题为《HPHT制备功能金刚石材料研究》的报告，栗正新教授将为您具体介绍HPHT在制备大尺寸单晶、多晶、BDD和钻-铜导热材料等方面的研究现状与趋势。

个人简历：

栗正新，男，1964.12月出生，河南工业大学材料学院教授，博士生导师，河南工业大学高新产业技术研究院名誉院长，首席科学家，商丘市产业创新发展研究院院长，全国超硬材料行业协会专家委员会副主任、全国磨料磨具行业专家委员会常务主任、全国磨料磨具标准化委员会委员，郑州航空港超硬材料研究所名誉所长，河南省高校学术技术带头人，河南省机械工程学会常务理事，九三学社河南省委常、河南工业大学委员会主委。《金刚石与磨料磨具工程》期刊编委、《超硬材料工程》期刊编委。

参考来源：

郝敬林等: 高温高压合成掺杂金刚石研究进展

贾晓鹏：超纯与掺杂金刚石大单晶的高温高压合成

毛梦嫒：高温高压合成金刚石的机理、工艺及特征研究

（中国粉体网编辑整理/留白）

注：图片非商业用途，存在侵权请告知删除！