中國粉體網訊  近日，國家知識產權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）。這項技術不僅標志著我國在超硬材料領域的關鍵突破，更可能為半導體、光學、新能源等高端產業注入“鉆石級”的硬核支撐。

CVD金剛石膜：為何被稱為“工業鉆石”？

金剛石膜憑借其硬度高、強度大、導熱性好、熱膨脹系數小、化學穩定性高、禁帶寬度大、介電系數小等優異的理化性質，在超硬刀具、地質勘探、高功率半導體、高功率微波窗口等領域具備廣泛的應用場景。

當金剛石膜厚度達到一定尺寸(>1mm)，則稱其為CVD金剛石自支撐膜，可擴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世紀低壓CVD技術成功制備金剛石以來，全球圍繞其工業化應用的競爭從未停歇。傳統金剛石膜存在厚度不均、韌性不足、熱絲積碳等問題，限制了大規模應用。近年來，隨著微波等離子體CVD等技術的成熟，美、日等國的企業已將其用于紅外窗口、高功率激光器件等尖端領域。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，逐步縮小了與國際差距。

北京科技大學使用 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，為多層復合結構，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象，實現了系統的長時間穩定沉積，同時凈化CVD金剛石，細化晶粒，提高其力學性能。

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勘探領域，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，設施參數為第一沉積工藝參數，并運行第一沉積時長；

2）采用第一過渡工藝對步驟1中的第一沉積工藝進行過渡處理，所述第一過渡工藝為停止通入第一氣相流和第三氣相流，調整第一沉積工藝參數為第一過渡工藝參數，并運行第一過渡時長；

3）采用第二沉積工藝在步驟2得到的增硬層上繼續沉積增韌層，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，設置CVD金剛石沉積爐沉積參數為第二沉積工藝參數，并運行第二沉積時長；

4）采用第二過渡工藝對步驟3中的第二沉積工藝進行過渡處理，所述第二過渡工藝為停止通入第一氣相流，調整第二沉積工藝參數為第二過渡工藝參數，并運行第二過渡時長；

5）重復操作步驟1至步驟4，直至CVD金剛石自支撐膜厚度達到要求

應用場景：從芯片散熱到太空探索

金剛石自支撐膜的產業化，將徹底改寫多個領域的技術路線：

1.半導體散熱：5G/6G芯片、高功率激光器的散熱需求激增，金剛石膜的熱導率（約2000 W/m·K）是銅的5倍，可大幅提升設備穩定性；

2.光學窗口：用于導彈整流罩、深空探測器，耐受極端溫度與輻射環境；

3.機械加工：作為超硬刀具涂層，壽命提升數十倍，助力精密制造；

4.新能源領域：氫燃料電池質子交換膜、核聚變裝置內壁涂層的潛在應用。

參考來源：

1.國家知識產權局，金融界，證券之星以及網絡公開信息

2.劉金龍等. CVD金剛石自支撐膜的研究進展. 表面技術

（中國粉體網編輯整理/輕言）

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