纳米聚晶金刚石安全高效生产项目可行性研究报告0.doc

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1、纳米聚晶金刚石安全高效生产技术项目可行性研究报告编 制 单 位 ： 中国科学院老专家技术中心 编制时间： 二零零九年七月 目 录第1章 项目概述61.1 项目名称61.2 项目背景61.3 项目内容71.4 项目产品特点及应用领域71.4.1 项目产品特点71.4.2 项目产品应用领域81.5 投资必要性和预期经济效益91.5.1 投资必要性91.5.2 预期经济效益91.6本企业实施该项目的优势9第2章 技术可行性分析112.1 国内外发展现状112.2 本项目技术的创新性132.3 项目承担单位在实施本项目中的优势17第3章 项目成熟度183.1 技术的可靠性183.2 产品及性能19第4

2、章 市场需求情况和风险分析224.1 产品的应用前景224.1.1 硅片加工应用方面224.1.2 碳化硅晶片加工方面234.1.3 巨磁阻磁头加工方面244.1.4 切削加工方面254.1.5 副产品纳米单晶金刚石的应用264.2 纳米聚晶金刚石主要生产单位情况294.2.1 国外生产情况294.2.2 国内生产情况294.3 本项目产品在国内外市场的地位294.3.1 超精细加工工艺路线发展趋势给本项目产品带来的机遇294.3.2 与国际产品的竞争324.3.3 市场预测32第5章 项目投资估算及资金筹措335.1 项目投资估算335.1.1 投资规模335.1.2 主要设备概算335.1

3、.3 生产占地335.1.4 生产人员345.2 资金筹措方案34第6章 经济和社会效益分析356.1 经济效益分析356.1.1 产品成本分析356.1.2 经济效益366.2 项目盈亏平衡366.3 社会效益37第8章 项目实施方案408.1 项目开发计划408.1.1 产能规划和实施的步骤408.1.2 产品规划408.2 项目实施内容418.2.1 工艺流程418.2.2 原辅材料来源及供应渠道418.2.3 生产设备418.2.4 建设周期428.2.5 公用工程42第9章 项目安全与环保439.1 项目的生产安全439.1.1 生产安全标准439.1.2 火工品的使用资格审批439

4、.1.3 火工品的使用与保管439.2 项目的环保449.2.1 噪声449.2.2 废液和废气44第10章 结论与展望46第1章 项 目 概 述1.1 项目名称纳米聚晶金刚石安全高效生产技术1.2 项目背景金刚石是世界上最坚硬的物质，它有两种形态，一种是单晶金刚石，它具有无可比拟的硬度，但性脆、不耐冲击；另一种是聚晶金刚石，其外表呈灰黑色，被称作“Carbonado”，天然的“Carbonado”是一种名贵的聚晶金刚石，各向同性，质地非常致密坚韧，冲击韧性可达到单晶金刚石的10倍，工业使用价值极高。但聚晶金刚石蕴藏在地下数百公里的岩体里，只有火山喷发时才被带出地表，并且储量少、发现困难，价值

5、昂贵，不能满足生产的需要。 由于以半导体工业为基础的微电子产业迅速发展，自80年代以来美国GE公司就看到了硅片精加工中所蕴涵的巨大商机和挑战，积极开展了静压法单晶金刚石在硅片加工应用方面的研究。但单晶金刚石沿解理面脆断形成的锋利刃口不可避免会划伤工件表面，而硅材料的微电子性能对表面轻度损伤又极端敏感。在这种背景下逐渐发展了另一种硅片加工工艺，即化学腐蚀抛光法。这一工艺对于小尺寸硅片发挥了良好的作用，现已成为硅片加工主流工艺。由于化学腐蚀抛光法无法保证硅片的整体平整度，随着硅片尺寸越来越大，精度要求越来越高，这种工艺已不能满足需要，这就为在硅片超精细加工中使用纳米聚晶金刚石微粉提供了契机。 由纳

6、米聚晶金刚石微粉制成的磨具或研磨剂，可用于各种坚硬材料制品的精细加工和抛光，与单晶金刚石微粉相比，其加工效率高、表面光洁度高，显示了优异的性能。用纳米聚晶金刚石加工的芯片在计算机领域以及传统支柱产业（如汽车、航空工业）中有着广泛的应用前景。爆炸合成聚晶金刚石已有30多年历史，但规模并不大。这是由于其本身存在一些未能克服的缺点，主要表现为：每公斤炸药产量不高；操作不够简便，难以规模化。为了改善这种供不应求的局面，中国科学院爆炸力学专家经过长期理论和时间研究对技术方案和工艺流程做了重大改进和更新，使纳米聚晶金刚石得以产业化生产。1.3 项目内容 本项目引入中科院成熟技术，利用山西省丰富的石墨资源，

7、建成年产1000万克拉纳米聚晶金刚石生产的高新技术企业。项目建成并达产后，企业将成为国内最大的纳米聚晶金刚石生产企业。为我国IT芯片、太阳能光伏、机床刀具等产业的发展奠定基础。1.4 项目产品特点及应用领域1.4.1 项目产品特点 本项目生产的纳米聚晶金刚石，具有独特的类球状形貌，各向同性，无解理面。它既具有超常的硬度，又有纳米材料的高强度和高韧性。作为超精细加工的磨料，它不易划伤工件表面，能满足最苛刻的加工要求。在磨削过程中，随着纳米晶粒适时自动剥落，不断出现新的锋利的微观刃口，这种性质被称为“自锐性”。“自锐性”使得磨削效率高、工件表面的平整度高、损伤层浅，最适合应用于高档硅片的研磨和抛光

8、。在高新技术产业和传统支柱产业中均有重要应用。1.4.2 项目产品应用领域纳米聚晶金刚石广泛应用于集成电路硅片、碳化硅晶片、太阳能光伏电池硅片以及磁头等IT产业制品的超精细加工中。1、在集成电路硅片领域，纳米聚晶金刚石微粉用作研磨材料可实现大尺寸集成电路的硅圆片表面的超精细加工。2、在太阳能光伏电池方面，降低损伤层厚度是提高太阳能光伏电池光电转化率的最关键，也是最难解决的问题。采用纳米聚晶金刚石加工硅片，可以降低其表面损伤层厚度，光电转化率则可跨上一个台阶。3、在硬盘存储方面，随着存储密度的提高，巨磁阻磁头的平整度要求达到Ra=2 nm，甚至小于1 nm。这种由多层硬度迥异材料构成的元件，要求

9、达到如此高的平整度，其超精细加工的难度是当今最高的。采用类球状纳米聚晶金刚石加工的表面平整度基本达到了Ra=1 nm的要求。4、在切削道具方面，金刚石以其高硬度、高耐磨性、高传热而成为理想的切削刀具，具有高精、高效、长寿、低耗等优点，适用于有色金属材料高速精密和自动化加工，能以车、铣代磨，目前已在汽车、航天航空、精密机械、家电、木材等行业得到广泛应用。此外纳米金刚石还在众多工业领域得到应用。1.5 投资必要性和预期经济效益1.5.1 投资必要性制约我国集成电路硅片、碳化硅晶片、太阳能光伏电池硅片以及磁头等IT产业的发展的最重要因素之一就是超精细加工磨料纳米聚晶金刚石的产业化生产。而这些行业都是

10、我国乃至世界重要的产业领域，伴随这些行业的逐年发展，对纳米聚晶金刚石的需求必将同步上升。但是国内目前工业化生产纳米聚晶金刚石还存在一定的问题，无论是国产金刚石还是其制品，质量均属中低档，与发达国家质量水平差别较大。国内高档金刚石只有中非人工晶体研究院、保定八达稳德金刚石公司能生产，但产量很低，大量的靠进口。可以说，高档金刚石市场基本被进口货所垄断。本项目生产的纳米聚晶金刚石高于进口产品品质，完全替代进口和满足国内对高档金刚石的需求；并且在扩大规模以后可以实现出口，带动我国IT芯片、太阳能光伏、机床刀具等产业的发展。1.5.2 预期经济效益 本项目技术采用中科院先进技术，具有产率高、成本低、产品

11、质量好的优势。目前国内纳米聚晶金刚石销售价格为7元/克拉，达产后每年的预期产值可达7000万元。1.6本企业实施该项目的优势本企业与中科院相关单位建立了战略合作关系，中科院将派出在应用激波法制备纳米聚晶金刚石领域研究40多年的专家亲自承担项目规划及指导培训本企业员工。本企业技术力量雄厚,现有专业技术人员35人，其中正高级工程师5人，副高级工程师8人，工程师10人，助理工程师12人。第2章 技术可行性分析2.1 国内外发展现状纳米聚晶金刚石是人造金刚石的一种，由大量纳米金刚石聚集而成，按照纳米聚晶金刚石的结构特点，目前国内外有两种途径制备纳米聚晶金刚石。一条是利用静压法或者爆轰法生产纳米金刚石，

12、然后通过高压和粘合剂作用下聚合生成聚晶金刚石，这是目前国内常用生产方法；另一种是利用爆炸法（激波法）直接生成聚晶金刚石，这是目前国外采用生产方法，国内只有少部分企业掌握该技术。2.1.1 爆轰-聚合法用爆轰法合成纳米金刚石微粉，80年代始于前苏联科学院有关研究所。其原理是利用炸药（TNT）爆炸时的负氧反应，其中未氧化的碳原子凝聚成碳液滴，在爆轰反应的高温高压下转变成颗粒为纳米尺度的金刚石微粉。该技术为俄罗斯专利。中国科学院兰州化学物理研究所、四川绵阳西南流体物理研究所以及北京理工大学等单位于90年代在该专利技术基础上开展了进一步研究。纳米金刚石微粉可用于复合镀以提高表面抗磨性能，降低摩擦系数，

13、提高工效，延长工件寿命。也可用作掺加剂提高橡胶、树脂，乃至机场跑道的综合性能以及催化剂载体。非业内人士常将“爆轰法合成纳米单晶金刚石”与“爆炸法合成纳米聚晶金刚石”二者混淆。由于前者粒度太小（仅在57纳米范围），所以目前在半导体材料切割和精加工领域尚无法应用，因此不构成对激波合成纳米聚晶金刚石的竞争。90年代，在爆轰法合成纳米金刚石微粉的技术中出现一些新专利，其原理是不用TNT，而是在RDX或HMX中混入重量比约15% 的石墨，其合成的金刚石聚集体的粒度约20100nm，大于上述的纳米金刚石。但由于掺入石墨使爆压降低，因而每公斤药量的金刚石产率低于原来的方法。由于其爆轰的作用时间仅为毫微秒量级

14、（，远低于激波合成纳米聚晶金刚石的作用时间微秒量级（，其晶核之间缺乏必要的相互成键的时间，因此其颗粒强度又低于激波法合成的纳米聚晶金刚石。这种金刚石聚集体，在磨削过程中易于破碎成为纳米晶粒，加工的效率低，性能缺乏优势，现未见规模化生产报道。2.1.2 激波法1961年，美国率先用激波法合成出聚晶金刚石微粉，随后DuPont公司等取得了一系列专利。70年代DuPont公司采用环状飞片法生产时，每次炸药重约4.7吨，每公斤炸药产出2.7克拉金刚石。其产品Mypolex纳米聚晶金刚石粉是国际驰名品牌。售价23美元/克拉，其中粒度为1/20 的售价高达10美元/克拉。日本住友公司也采用DuPont的专

15、利生产。上述两家的年产量各为1000万克拉左右。用这种方法生产的金刚石呈砾石状，需要通过球磨或气流磨做“浑圆化”处理。从20世纪70年代初开始，中科院力学研究所开展了长达8年的爆炸合成金刚石的研究，掌握了以石墨为原料，在激波产生的超高压（30-60万大气压）、高温（约2000K度）下，合成纳米聚晶金刚石微粉的技术。该技术由于击波作用的时间极其短暂，相变以瞬时大量形成纳米尺度的晶核为主，晶核生长对于新相形成的贡献为辅。数以万计的纳米晶通过不饱和键结合成亚微米或微米尺寸的聚晶晶粒。为此中科院于1993年创建了中国笫一家规模化生产的爆炸合成金刚石厂。每公斤炸药金刚石产量约60克拉，年生产能力为100

16、万克拉，产品为“Carbonado”型聚晶金刚石微粉，自然呈固团球状，不需整形工序。2.1.3 存在的主要问题目前国际上生产纳米聚晶金刚石的技术路线主要依照DuPont公司的专利。存在的主要问题为：炸药用量大、操作笨重、在一般野外场地难于实现。建厂投资大，生产周期长、产率低。产品需要经过破碎和整形才能达到超精细加工需要的粒度和形貌。产品成本高，价格昂贵。2.2 本项目技术的创新性本项目技术是中科院专家在93年建立金刚石厂产业化基础上，对激波合成金刚石的爆炸力学和相变动力学过程做了大量深入理论分析、数值计算和实验工作，并借助计算机筛选实验参数，将每公斤炸药的产量提高到100克拉，大大提高了纳米聚

17、晶金刚石的生产效率和生产成本，解决了DuPont公司的专利所出现的众多问题。本项目技术从以下几个方面进行了改进和创新：1、1997年以来，中国科学院专家对爆炸力学和相变动力学全过程做了深入的理论分析，编制了专门的计算软件，通过大量计算和野外实验筛选出了工艺参数的最佳组合，对技术方案和工艺流程做了重大改进和更新。2、目前军用高能炸药的爆压不足以使石墨相变，所以需通过增压技术产生35GPa左右的压力，才能使占石墨总量530% 的ABC型石墨相变。欲使AB型石墨相变，通常用掺金属粉办法提高压力。在DuPont公司的专利中金属粉甚至掺到试样总重的9097%，能转变金刚石的石墨只剩了310%。即使AB型

18、石墨参与了相变，每公斤炸药产出也不足10克拉。高达90% 以上的金属需用化学方法除去，不仅增加了成本也带来环保的沉重压力。本项目的增压装置，可在少掺或不掺金属粉情况下也可使AB型石墨相变，使每公斤炸药产出100克拉以上，从而大大降低了成本。3、 本项目的爆炸装置操作方便、安全。爆炸场地建设投资少。爆炸工序周期短，可以连续作业，为规模化生产创造了条件。4、 用DuPont公司方法生产的纳米聚晶金刚石为砾石状，粒度在微米量级，用于超精细加工时需经过破碎和整形两道工序才能使用（见图1和表1）。本项目生产的金刚石微粉自然呈类球状（见图2），能胜任最苛刻的硅片超精细加工要求。其粒度主要分布在亚微米量级，

19、粒度恰与目前半导体超精细加工要求相吻合，因而无需经过破碎和“浑圆化”处理，可以直接进入分级和悬浮工序。 本项目技术与DuPont专利对比见下表。表1 本技术与美国杜邦公司专利的对比一次用炸药量 ( 公 斤）爆炸工序周期每公斤炸药得金刚石（克拉）粒 度形 貌成本售价/克拉DuPont专利4500数 天小于10微米为主，需破碎砾石状， 需 整 形高23美元本项目技术小于1010分钟100亚微米为主，无需破碎类球状，无需整形低成本2.5元人民币2.3 项目承担单位在实施本项目中的优势.第3章 项目成熟度3.1 技术的可靠性中科院力学所和物理所于1970年在国内首先联合开展了爆炸合成金刚石的实验研究。

20、七十年代初，国内先后有20多家开展了此项工作，但由于缺乏改进和持续发展能力而先后停止。中科院力学所多位科学家坚持研究，完成了一批颇具特色的成果，发表后获得国内外同行的好评。1993年力学所专家为有关公司创建了中国第一家规模化生产的爆炸合成金刚石厂。每公斤炸药金刚石产量约为60克拉，年产能力为100万克拉，其产品直接供应给军方。近年来中国科学院力学所专家，对合成纳米聚晶金刚石的技术方案和工艺流程做了重大改进和发展，形成了本项目的技术成果。日本NOF公司采用我们的类球状聚晶金刚石和国际驰名品牌-DuPont公司的聚晶金刚石研磨铁氧体时，对磨削效率（Removal rate）和平整度(Surface

21、 roughness)进行了比较。试件原始表面划痕深度均为50，金刚石微粉粒度均为13。研磨3分钟后表面平整度 Ra 分别为4 nm 和89 nm，见图4（b），可见本项目的类球状聚晶金刚石能够达到更高的平整度。图4(a)表明二者磨削效率大致相当。 三菱化学公司用粒度为00.5 的类球状聚晶金刚石研磨15秒后，表面平整度可达 Ra0.10.4nm ( = 0.00010.0004).(a) (b)图4 采用类球状纳米聚晶金刚石(即图中NOF Diamond)和DuPont公司的聚晶金刚石加工铁氧体时的磨削效率（a）和表面平整度（b）的对比本项目的研制专家，是国内爆炸合成金刚石界研究时间最长，同

22、时具有丰富实践经验的资深专家，在美、日等国也有相当影响。为了对本技术的保密，本技术未申请专利公开，但经北京科之源资产评估有限责任公司（2008年）评估，其评估值为1580.00万元。3.2 产品及性能本技术生产的纳米聚晶金刚石微粉是由直径为510的纳米晶粒，通过不饱和键结合而成的微米和亚微米聚晶，因而各向同性无解理面。图5为类球状纳米聚晶金刚石的X衍射峰图，呈典型立方金刚石结构特征。图5 纳米聚晶金刚石的X衍射峰图图6 类球状纳米聚晶金刚石在透射电镜下的形貌图6 为类球状纳米聚晶金刚石在放大40万倍透射电镜下的形貌。图中每一粒纳米单晶通过不饱和键与周边的其它纳米单晶结合。图中展示的聚晶金刚石微

23、粉的这种结构特点使得它区别于单晶，具有无数微观刃口，在磨削过程中，纳米晶粒的适时剥落不断提供新鲜的微观切削刃口。正是这种自锐性保证了加工的高精度、高效率和浅的表面损伤层。在中国科学院专家主持下生产出的聚晶金刚石超细微粉，其形貌见图7。因其本身自然呈类球状，无需再人为整形。它没有尖锐的棱角，因而在超精细加工时可以达到最高的表面平整度和光洁度。由于纳米聚晶金刚石微粉的优良自锐性，在加工材质极不均匀的表面时也可达到镜面光。图7 类球状纳米聚晶金刚在扫描电镜下的形貌3.3 项目后续开发 为了对引进中科院技术的吸收利用及进一步开发，本企业与中科院在企业中共建研发中心，聘请中科院专家作为研发中心首席科学家

24、，对项目技术进行深入开发。第4章 市场需求情况和风险分析4.1 产品的应用前景 4.1.1 硅片加工应用方面 目前国内主要集成电路芯片生产企业不下十余家。除中外合资企业加工芯片的硅抛光片主要或全部依靠进口外，其余各家芯片的线宽落后国际水平10年。为使国产芯片线宽升级到0.09，重要条件之一就是相应硅抛光片的平整度升级到0.09。纳米聚晶金刚石作为做理想的磨削材料就可以达到所需要的平整度。在太阳能光伏电池方面，目前国产单晶硅或多晶硅太阳能光伏电池的光电转化率一般分别为 15% 和12%，最高水平分别为 18.6% 和14.5%。国际水平一般分别为 2224% 和1416%。2002年美国Spec

25、trolab的光电转化率可以达到34%。理论表明，理想情况下可有约40% 入射光的能量转化为电能。但由于采用单晶金刚石或碳化硅、刚玉切割和研磨硅片，使硅片表层存在大量位错、微裂纹等微观损伤。损伤层厚度可达2左右，这就导致渗磷层的光生载流子与缺陷复合。实践表明，10厚的损伤层能使载流子的寿命下降4个数量级，也就是从平均300微秒降到0.07微秒，从而严重降低了光电效率。业内人士认为，降低损伤层厚度是提高太阳能光伏电池光电转化率的最关键，也是最难解决的问题。如果采用纳米聚晶金刚石加工硅片，可以降低其表面损伤层厚度，光电转化率则可跨上一个台阶。太阳能光伏电池不仅在航天、军事领域有重要应用，而且我国边

26、远地区有3600万无电人口，发展太阳能电池，可为西部大开发提供取之不尽的绿色能源。由于国产单晶硅约70%用于太阳能光伏电池的制备，因而纳米聚晶金刚石在这一加工领域的需求量也很大。4.1.2 碳化硅晶片加工方面 碳化硅（）材料因其独特的性能而成为军用半导体器件的主要原料之一。由于与国防现代化密切相关，碳化硅抛光片只能走国产化道路。由于碳化硅的硬度约为单晶硅的3倍，这就使它的超精细加工更加困难。据了解，天津有关研究所对直径 50mm的碳化硅晶片，先以碳化硼为磨料进行研磨，磨料粒度由大到小，最小粒径为3。然后换用粒径为510nm的纳米金刚石进行抛光，但抛光后仍有深划痕无法去除；中科院有关研究所是直接

27、使用人造单晶金刚石微粉研磨，粒径由大到小，最小粒径为0.5。以上两种加工方法，每道工序的研磨时间均以小时计，研磨后的平整度与要求相比均有相当大距离。他们共同存在的主要问题可概括为：(a) 研磨效率低，加工时间之长难以实现产业化。(b) 平整度达不到要求。(c) 金属磨盘严重磨损需频繁返修，不仅影响效率也影响加工精度。究其原因，对于前种方法，这是由于碳化硅的努氏硬度为25000Mpa，而磨料碳化硼的努氏硬度为27500Mpa。磨料硬度仅略高于被磨工件，效果当然不好。而且，最后采用的纳米金刚石，其粒度小于或接近工件表面划痕尺度，造成磨粒在划痕或缺陷中阻滞和聚集并在其中滚动和磨削，反而会使原有划痕或

28、缺陷扩大。根据磨削理论，研磨液中磨粒尺度一般应比被磨削工件上的划痕或缺陷尺度大一个量级。因此，纳米金刚石微粉至少在现阶段不宜用作磨料。在后一种方法中，虽然单晶金刚石硬度很高（努氏硬度为70000Mpa），但它不能自动产生新的锋利刃口，磨削效率一般仅为纳米聚晶金刚石的1/31/4，并且造成严重的损伤层。本项目也可与上述有关单位合作解决碳化硅抛光片的上述问题。4.1.3 巨磁阻磁头加工方面 随着硬盘存储密度的提高，单碟容量已经达到20GB 以上。磁头和硬盘之间的飞扬高度也由20纳米降到10纳米。巨磁阻磁头的截面积为1mm1mm。其中心层为软磁合金，两侧用厚度为几纳米的黄金作导线，外层依次为钽和蓝宝

29、石层。在其多层“三明治”结构中，各层材料的硬度悬殊，平整度要求达到Ra=2 nm，甚至小于1 nm。这种由多层硬度迥异材料构成的元件，要求达到如此高的平整度，其超精细加工的难度是当今最高的。我国东莞SAE日资企业生产的巨磁阻磁头占全球产量的40%。目前该公司采用美国Engis公司用国际市场上的纳米聚晶金刚石制成的研磨液加工磁头，平整度可达到Ra=2nm。但该研磨液价格昂贵，年消耗3000万元人民币。为降低成本以及进一步将磁头端面平整度提高到小于1 nm，该公司曾采用国产纳米金刚石和类球状纳米聚晶金刚石进行了1次对比试验，结果发现：前者在软质区（黄金）出现深达8 nm的沟槽。造成这种情况是因为纳

30、米尺度的磨粒在软质区阻滞、聚集并在其中滚动的结果。而采用类球状纳米聚晶金刚石加工的表面平整度基本达到了Ra=1 nm的要求。该公司有关专家认为，如能在巨磁阻磁头超精细加工方面取得突破，纳米聚晶金刚石在整个IT产业的应用就水到渠成了。4.1.4 切削加工方面进入新世纪以来，大力发展高效制造技术及装备已成为世界各国的战略决策。切削加工为制造技术的主要基础工艺近年来也取得了快速的发展，相继出现了高速切削、精密切削、硬切削、干切削、绿色切削等先进切削工艺，作为核心之一的金刚石刀具及其切削技术尤其得到推崇。金刚石切削刀具以其高硬度、高耐磨性、高传热而成为理想的切削刀具，具有高精、高效、长寿、低耗等优点，

31、特别适于有色金属材料高速精密和自动化加工，能以车、以铣代磨，目前已在汽车、航天航空、精密机械、家电、木材等行业得到广泛应用。例如，用聚晶金刚石刀具精镗硅铝合金材料汽车活塞销孔，耐用度达4万件以上，是原硬质合金刀具的90倍，加工工件表面粗糙度下降80%，同时减少了换刀辅助时间，降低了加工成本。作为一种性能优异的玻璃切割刀具，聚晶金刚石制成的刀轮主要用于电子行业液晶玻璃的高精度、高品质的切割，同时可以切割建筑用，以及汽车用玻璃，是普通玻璃刀和硬质合金玻璃刀轮的理想替代品。芯棒与刀轮均为聚晶金刚石材料，具有加工精度高、耐磨损、一致性好等优点。 木材加工业是聚晶金刚石刀具应用的重要领域。日前得到广泛应

32、用的人造板材已同传统木材有了明显的差异。人工合成的板材在某种意义上是合成树脂的概念，其加工过程也同传统意义上的木材不同。人造板材的飞速发展，特别是中密度纤维板、胶合板、刨花板及复合地板等人造板材的发展，更加速了其对超硬刀具的需求，从而使金刚石刀具将逐步替代传统木工刀具。强化复合地板自上个世纪90年代引入我国以来，以其耐磨性、防水防潮性、抗腐蚀性、安装方便等优点，受到用户的欢迎。但其结构的特殊性决定了加工过程对刀具特殊性的要求。其最外层的Al2O3对硬顶合金刀具的磨损影响很大，利用聚晶金刚石刀具能有效地解决这个技术难题。 4.1.5 副产品纳米单晶金刚石的应用生产纳米聚晶金刚石的同时会产生等量的

33、纳米单晶金刚石，纳米单晶金刚石具有颗粒小而且比表面积很大的独特性值，具有特殊的机械、光电、热、磁性能，渴望在机械、电子、化工、医疗等领域中得到广泛的应用，同样拥有较高的经济价值。 作为复合镀层添加物复合电镀是一种提高镀层硬度和耐磨性能的方法。用电镀或电刷镀制法制成的含金刚石粉的复合镀镍层，与不含金刚石粉的复合镀镍层相比，其硬度增加50%，耐磨性能的增加更显著。例如，用电刷镀法制成的不含金刚石粉镀镍层的磨损量为18.3 mm3.nm-1，而添加金刚石粉后的镍镀层其磨损量可降低到10.0 mm3.nm-1。有人使用类似方法制成磁盘或磁头的耐磨保护层，也取得了良好的效果。如果用纳米金刚石粉做成复合镀

34、镍层，与含金刚石粉的复合镀镍层相比，其硬度和耐磨性能可能会更好。 用作添加剂以增强塑料和橡胶的强度研究发现，纳米材料应用在塑料中，可以使其杨氏模量急剧上升，其原因可能是材料粒径小，比表面积大。表面层内原子所占比例大，可以与聚合物充分的吸附、键合；可使材料的断伸长率比微米级填料更大。微米级材料可使塑料纵向伸长率提高10.7，横向伸长率提高21.1，而纳米级材料则可使纵向伸长率提高13.3，横向伸长率提高32.6。基于上述可以预示，纳米金刚石作为纳米材料，由于其硬度高、粒径小、比表面积大，可以填充到塑料中，用来提高其强度。研究表明，在氟橡胶中加入纳米金刚石后，其抗磨损性能提高I倍，用作轮胎的聚异戊

35、二烯橡胶加入纳米金刚石后，各项参数提高1.3- 1.7倍，尤其是抗撕裂性能得到很好的改善。 作为润滑油添加物添加了金刚石的润滑油，其润滑性能和减磨性能都有明显提高，在发动机上进行应用实验，取得了良好的效果。添加了纳米金刚石的润滑油，它除了具有一般润滑油所具有的清净分散性和抗氧化腐蚀性能外，还具有其独特的摩擦学改性特点，由于添加的纳米金刚石具有特殊的纳米级小尺寸效应及物理化学特性，使该油品具有显著的促进磨合和磨合品质功效。纳米金刚石在油中的减摩和抗磨作用，可以有效分化、缩小磨屑体积，避免拉缸，明显改善摩擦副配合精度，球形纳米金刚石粒子可在摩擦副表面之间滚动形成“滚珠轴承效应”，使摩擦副之间的滚动

36、摩擦变为滚动和滑动的混合摩擦，大大降低发动机摩擦功耗，节省原油消耗57 ，磨合后缸套表面形成稳定的耐磨层，延长发动机使用寿命510万公里，开发含纳米金刚石的高效磨合油将填补磨合油领域的空白，为市场提供急需的产品，也将会产生可观的效益。 作为精细研磨材料用纳米金刚石粉制成的研磨液或研磨块，可以磨出光洁度极高的表面。例如：可制成表面光洁度极高的x-射线反射镜；用含有纳米金刚石粉的研磨液对陶瓷滚珠进行磁液体研磨，可得到表面粗糙度只有0.013m的表面 。 其它应用把金刚石粉用于制造电子成像的感光材料，能明显改进复印机的性能。如果用纳米金刚石粉制造电子成像的感光材料，用来改进复印机的性能，效果会更显著

37、。将纳米金刚石制成悬浮液涂抹在用化学气相沉积金刚石膜的单晶硅基片上，干燥后可以形成金刚石微晶层，在进行化学气相沉积时，可以大大加快金刚石的生长速度和提高膜的成核密度。有文献报导用金刚石粉做成生物抗体源载体，制造某些抗体药物，取得了良好结果。如果用纳米金刚石粉做成生物抗体源载体，制造某些抗体药物，效果可能会更好。4.2 纳米聚晶金刚石主要生产单位情况4.2.1 国外生产情况目前世界上具有纳米聚晶金刚石规模生产能力的企业有两家，美国的杜邦公司（其金刚石业务1999年被瑞士收购，成为Mypodiamond Inc.）和日本住友公司，日本住友公司生产技术是采用杜邦的专利。这两家公司纳米聚晶金刚石的年生

38、产能力均为1000万克拉左右，每公斤炸药金刚石产量为610克拉，其金刚石微粉呈砾石状，价格较高。4.2.2 国内生产情况国内也有少数厂家可以生产纳米聚晶金刚石，如位于绵阳市科学城的四川久远纳米材料有限责任公司是国内首个专业从事纳米级人造金刚石、多晶金刚石微粉、静压合成人造金刚石及制品的研发与生产的企业，填补了国内空白。2007年大连凯峰超硬材料有限公司也成功生产出了30-90纳米颗粒。纳米聚晶金刚石国内虽有少数生产企业，但单位成本高、总产量低，年产量仅有1000万克拉左右，大量的依靠进口。可以说，高档纳米金刚石市场基本被进口货所垄断。4.3 本项目产品在国内外市场的地位4.3.1 超精细加工工

39、艺路线发展趋势给本项目产品带来的机遇随着对硅片、磁头等IT业产品加工精度要求的不断提高，超精细加工工艺必需改变。采用纳米聚晶金刚石微粉作为磨料的研磨工艺是最佳选择。因此，纳米聚晶金刚石微粉将逐渐取代其它磨料，在全球存在巨大市场。4.3.1.1人造单晶金刚石遇到挑战人造单晶金刚石在磨削力作用下容易沿解理面脆断，这时形成的锐利的宏观刃口会划伤硅片表面。此外，其刃口在加工过程中因不断磨损变钝，磨削效率随之下降，此时需要加大切削力。由于硅半导体是一种极敏感的压电晶体，大切削力造成的残余应变和微观表面裂纹将会改变其电学性能，从而对芯片，特别对窄线宽的大型集成电路芯片的质量构成严重威胁。在1984年召开的

40、“硅材特性和硅片加工”国际会议上，作为人造单晶金刚石鼻祖的GE公司已经注意到这一问题，并称“这是GE公司所遇到的印象最深刻的挑战”。此后他们努力想寻找一种独特的金刚石品种，希望新品种金刚石“具有微观断裂的特性”，“在其切削刃口变得太钝之前就能脱落从而产生新的较锋利的刃口”，以便保持良好的切削性能，但一直未能突破。4.3.1.2化学腐蚀抛光工艺遇到挑战为避免硅片划伤和出现损伤层，八十年代以后国际上逐渐形成一种化学腐蚀抛光工艺，以取代用人造单晶金刚石研磨。近年来我国引进的生产线一般均采用此种工艺。其主要流程是将从硅棒上切割下来的硅圆片，以刚玉或碳化硅为磨料用机械研磨实现较好的整体平整度后，再通过化

41、学腐蚀消除硅片表面的划痕和损伤层。为除去腐蚀时在硅圆片表面产生的氧化层，一般在腐蚀液中加入氧化铈、氧化硅或氧化锆等磨料。这些磨料的硬度均略小于单晶硅，这样就不会划伤化学腐蚀后的硅圆片表面。虽然采用这种工艺后硅圆片表面光亮没有划痕，但整体平整度却无法保证。以国内一流硅圆片加工企业的产品为例，至2004年，硅圆片整体不平度Ra 2.0，局部（2525范围）不平度Ra 0.3。用这种水准的硅抛光片刻制的芯片，线宽只能达到0.300.25。用化学腐蚀抛光工艺所能达到的线宽极限约在0.10。经过化学腐蚀抛光后，硅圆片整体平整度甚至低于化学腐蚀抛光前。硅圆片直径越大，这个问题越严重。这就是化学腐蚀抛光工艺

42、不可克服的缺点。4.3.1.3纳米聚晶金刚石异军突起、迎接挑战纳米聚晶金刚石是在超高压、高温条件下瞬时相变而成的。这就决定了它具有与生俱来的优异性能：各向同性，无解理面，从而避免了单晶金刚石容易沿解理面脆性断裂的弱点，因而不易划伤工件表面。在磨削过程中，彼此以不饱和键相连的纳米晶粒能适时自动剥落，不断出现新的锋利的微观刃口。这种“自锐性”保证了高磨削率和低切削力，因而不易造成硅片表面微观损伤。这正是GE公司20年来梦寐以求但始终未能实现的超级磨料的优异品质。上个世纪80年代后期，DuPont公司Mypolex品牌的聚晶金刚石微粉，是国际上最驰名的超级磨料品牌。这种金刚石与同粒度天然金刚石或优质

43、人造单晶金刚石相比，在加工集成电路基底材料时效率高2-3倍，而且表面平整度更好。这种纳米聚晶金刚石在推动美、日等发达国家芯片业的发展中已经起了重要作用。日本超级硅研究所（SSI）2002年宣称，在加工16英寸（400mm）超大直径的硅圆片时不采用化学腐蚀加工，完全靠机械研磨Ra达到了0.13，这是用腐蚀加工达不到的高平整度。他们采用的磨料就是纳米聚晶金刚石。选择纳米聚晶金刚石微粉作为硅圆片超精细加工的磨料，是人们在不断研究、比较的过程中总结出来的，是由纳米聚晶金刚石微粉独特而优异的纳米性能决定的。4.3.2 与国际产品的竞争本项目拥有我国自主知识产权的聚晶金刚石微粉生产技术，工艺独特，在多个环

44、节与DuPont专利不同。产品性能优越，独有的类球状形貌使其在超精细加工中可达到更高的平整度。产品成本低廉，出口售价定为1美元/克拉，是国际市场价的1/21/3，即便如此仍有很大的利润空间。本产品在国际磨料市场上，无论性能或价格都有一定的竞争能力。.4.3.3 市场预测 单以硅片抛光领域计算，2000年全球硅圆片销售面积超过65亿平方英寸，其中812英寸的大直径硅圆片超过总额的50% ，并且呈逐年上升趋势。国际上对大尺寸集成电路的硅圆片采用纳米聚晶金刚石微粉实现其表面的超精细加工。按每10平方英寸消耗1克拉金刚石微粉粗略估计，仅这一个应用领域金刚石微粉的潜在市场就可达每年4亿克拉。据悉，201

45、0年国内可生产8英寸硅圆片3.6亿平方英寸，纳米聚晶金刚石微粉的消耗量将相应约为每年3600万克拉。而目前国际市场每年仅能提供2000万克拉左右，远远满足不了发展的需要。第5章 项目投资估算及资金筹措5.1 项目投资估算5.1.1 投资规模本项目建成达产为年产1000万克拉纳米金刚石，总投资为1000万元。5.1.2 主要设备概算 专用爆炸设备及配套设施1套 120万元人民币 一千吨油压机2台 (旧) 20万元人民币 化学处理设备 30万元人民币配套环保设备 50万元人民币高速离心机1台 30万元人民币 普通离心机2台 3万元人民币 粒度测试仪 50万元人民币交通、通讯及办公设备 50万元人民币共约 353万元人民币5.1.3 生产占地按照新建厂计算并充分考虑扩能改造和企业的发展，项目规划占地面积按25000m2计算。基建面积共约1500平方米。其中： 生产车间 200平方米 提纯车间 200平方米 分级车间（其中部分超净） 200平方米 测试室 40平方米 火工品仓库 90平方米原料及半成品仓库 160平方米办公室