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        【原創(chuàng)】碳化硅與金剛石的“撕逼大戰(zhàn)”


        來源:中國粉體網(wǎng)   山川

        [導(dǎo)讀]  碳化硅與金剛石的恩怨情仇......

        中國粉體網(wǎng)訊  一直以來,碳化硅和金剛石都是關(guān)注度很高的材料,由于他們的性能有相似之處,致使在使用上也有一些重合,因此在某些領(lǐng)域會出現(xiàn)競爭甚至是“被冒充”的情況。事情先從珠寶界講起。


        真鉆石與“冒牌貨”的撕扯


        由于高昂的價格,在利益的驅(qū)使下,鉆石市場一直受到仿鉆寶石的沖擊,其中莫桑石無疑是最令人頭疼的家伙。我們先來了解這兩種材料。


        “鉆石恒久遠,一顆永流傳”


        按質(zhì)量和用途分的話,金剛石可以分為寶石級金剛石和工業(yè)金剛石。我們平常說的鉆石即寶石級金剛石,是經(jīng)過琢磨的金剛石。



        圖片來源:Pexels


        天然鉆石主要形成于位于地下150~250千米深處的金伯利巖。在這樣的深度,一些礦物結(jié)晶被含碳熱流體包裹,晶體中的其他礦物質(zhì)被碳元素置換出來,碳元素取而代之形成鉆石。但也有些鉆石是碳元素在高溫高壓下結(jié)晶形成的;鹕絿姲l(fā)將位于地下深層的金伯利巖輸送到地表,能夠搭上“順風(fēng)車”的鉆石只是少數(shù)。


        因此,憑著珍貴、稀有、璀璨奪目的外表,鉆石成了愛情忠貞不渝的象征。


        莫桑石,實現(xiàn)每個女人的“克拉”夢


        盡管鉆石代表著永恒的愛情,但是它實在太貴了,品相極好的鉆石,一克拉可以報價數(shù)十萬甚至百萬,對于粗心的人來說丟了簡直“損失一個億”。如果把它放到櫥柜里吃灰則又失去了裝飾的意義。


        此時,一種叫“莫桑鉆”的寶石悄悄流行開來。


        “莫桑鉆”即由一種叫莫桑石碳化硅晶體材料打造而成。天然的莫桑石由諾貝爾獎獲得者—亨利·莫桑博士在1893年分析墜落到美國亞利桑那州代阿布洛峽谷的隕石碎片時發(fā)現(xiàn)。1905年,為了表示對他的敬意,莫桑石因此得名。莫桑石成分為100%SiC,也稱為金剛砂(連這個都要和金剛石如此相像)。



        天然莫桑石在自然界中十分稀有,只能形成于極端環(huán)境,如隕石、地幔巖石中。天然莫桑石形狀各異,顏色也多種多樣,包括藍色、藍帶綠、綠色、灰色、綠帶黃、黃色及無色,多為暗綠色、黑色,可用作磨料,卻無法用作寶石鑲嵌。由于天然莫桑石非常稀少,儲量不足以用作寶石用途,品質(zhì)也不夠,因此并不具有商業(yè)價值。所有應(yīng)用于珠寶行業(yè)的莫桑石均為人工合成材料。


        盡管天然莫桑石無法用于制作寶石,但人工合成的莫桑石可不得了,它是一種近似無色的獨特寶石材料,乍看之下,莫桑石與天然鉆石無法分別,甚至連普通儀器也區(qū)分不出,然而仔細看會發(fā)現(xiàn)莫桑石的火彩比鉆石更強,更為驚艷,能完美做到“以假亂真”,而價格卻連鉆石的十分之一都不到。尤其在微商、代購盛行的時期,“莫桑鉆”被包裝成了鉆石中的一種進行炒作。因此引得不少鉆石從業(yè)者出來打假,但“撕來撕去”也沒個明確結(jié)果。




        至于說莫桑石是“騙局”,小編認為從商家追逐利益而進行的過度炒作的角度而言的確是“騙局”,但這并不是說莫桑石是假寶石。盡管天然莫桑石無法用作寶石,但人工合成的莫桑石制備難度可也絕不含糊,一粒莫桑石從粉料合成,到結(jié)晶生長,再到拋光打磨成為人們眼前閃耀奪目的寶石,需要復(fù)雜的工藝和穩(wěn)定的周期,同時需要巨大的人力、物力及資金投入。


        就算是鉆石,市面上人工合成的鉆石可也占了很大一部分市場。另外,最初美國C3公司是把“合成莫桑石”作為一種新型寶石推向市場,而不是作為“仿鉆”材料出售的。因此,當(dāng)將莫桑石當(dāng)做鉆石出售的時候,那它就是假鉆石,而將它當(dāng)作合成寶石出售的時候,它就是一類真寶石。


        切磨拋陣地:硬漢間的較量


        磨料是銳利、堅硬的材料,用以磨削或拋光被加工材料表面。磨料在工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛,特別是加工高精度或低粗糙度的零件或特別硬的零件時,磨料作為切磨工具中的重要組成部分是必不可少的。其中,碳化硅和金剛石是兩種常見的磨料。


        碳化硅硬度僅次于金剛石和六方氮化硼,由于其硬度高,可制備成各種磨削用的砂輪、砂布、砂紙以及各類磨料,廣泛應(yīng)用于機械加工行業(yè)。碳化硅主要分為黑碳化硅和綠碳化硅兩種。黑碳化硅相對綠碳化硅硬度較低,用來磨硬度較低的材料,如鑄鐵和非金屬材料;綠碳化硅適合磨削硬質(zhì)合金,光學(xué)玻璃、鈦合金之類的東西,還有一種立方碳化硅專用于微型軸承的超精磨。


        碳化硅磨具,來源:山東金蒙新材料股份有限公司


        金剛石有著比碳化硅更高的硬度,顆粒外形尖銳鋒利,與立方氮化硼同屬于超硬磨料,對于不同硬度的材料都具有很好的磨削作用,對于存在軟硬相差懸殊的不同相的合金試樣拋光效果較好。因此,金剛石磨料覆蓋了包括各種高硬、高脆、高強韌性材料的幾乎全部被加工材料。但因其在700℃~800℃時容易碳化,所以它不適于磨削鋼鐵材料及超高速磨削。


        目前來看,金剛石由于有著比碳化硅更高的硬度,磨削效率更高,因此在高硬、高脆、高強韌性材料切磨方面正逐步取代碳化硅。



        值得一提的是,隨著碳化硅作為第三代半導(dǎo)體的起飛,SiC晶圓研磨拋光成為新的熱點,但SiC因本身硬度大、脆性大、化學(xué)惰性強等特點,難以同時保證高拋光質(zhì)量和高拋光速率,是典型的難加工材料,而金剛石與氧化鋁、SiO2等搭配形成的復(fù)合磨料可用于對碳化硅晶圓的拋光,也算是與碳化硅之間展開的一場硬漢間的較量。


        離地起飛的半導(dǎo)體PK終極半導(dǎo)體


        高性能半導(dǎo)體器件的制造離不開先進的半導(dǎo)體材料,為了滿足半導(dǎo)體器件的使用性能,半導(dǎo)體材料先后經(jīng)歷了以硅、鍺為代表的第一代元素半導(dǎo)體材料;以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料和以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料。


        碳化硅半導(dǎo)體就不用過多介紹了,作為目前發(fā)展最成熟的第三代半導(dǎo)體材料,近些年大火特火。尤其是在“雙碳”戰(zhàn)略背景下,碳化硅被深度綁定新能源汽車、光伏、儲能等節(jié)能減碳行業(yè),萬眾矚目。因此,有人稱其是一種“正在離地起飛的半導(dǎo)體材料!


        半導(dǎo)體材料性能對比


        金剛石是超寬禁帶半導(dǎo)體,其禁帶寬度為5.5eV,具有高電子遷移率(4500cm2/Vs)、高電子飽和速度(2×107cm/s)、高擊穿場強(107V/cm)和高熱導(dǎo)率(2000W/m·K)等特點,其功率器件的JOHNSON'S優(yōu)值為寬禁帶半導(dǎo)體SiC的10倍。隨著SiC和GaN功率電子學(xué)進入發(fā)展成熟階段,新的需求又在推動下一代功率電子學(xué)的發(fā)展,金剛石被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料,被業(yè)界譽為“終極半導(dǎo)體”。


        可以預(yù)見,未來金剛石和碳化硅或?qū)⒃趯捊麕ьI(lǐng)域展開正面的PK。但目前來看,碳化硅已經(jīng)進入商業(yè)化應(yīng)用階段,受惠于下游應(yīng)用市場的強勁需求,產(chǎn)業(yè)正處于高速成長期。而金剛石半導(dǎo)體仍在實驗室階段,要真正實現(xiàn)量產(chǎn),依然需要花費很長的時間,此外,在具體應(yīng)用方面,金剛石半導(dǎo)體的落腳點仍不明朗。因此,在很長一段時間內(nèi)金剛石還搶不了碳化硅的風(fēng)頭。


        參考來源:

        [1]佟雯.碳化硅材料在珠寶行業(yè)的應(yīng)用前景

        [2]段景頤.寶石的秘密

        [3]半導(dǎo)體行業(yè)觀察

        [4]中國粉體網(wǎng)


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

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        推薦8

        作者:山川

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