在標示物體硬度標準的莫氏硬度量表中，1—10級硬度，人的牙冠硬度大概在7—8級，是人體最堅硬的部分。

       在工業(yè)領域，也有一種超硬的材料，被形象地喻為“工業(yè)牙齒”。這是個什么東西？它到底有多硬？

       今天帶來《國家工業(yè)密碼》有聲故事第十集《“工業(yè)牙齒”到底有多硬？》。

       牙疼不是病，“無牙”真要命

       在莫氏硬度量表中，這顆“工業(yè)牙齒”的硬度是最高的10級，意味著它是目前自然界存在最硬的物質(zhì)。相信大家都猜到了，它就是大家熟知的金剛石，又稱鉆石。

▲ 由國機集團下屬鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司（簡稱“三磨所”）培育的CVD（化學氣相沉積） 鉆石

       金剛石除了極高的硬度之外，還具備無與倫比的熱、光、聲、電等物理性能，用在工業(yè)領域，上至航空航天、國防軍工，下至石油開采、地質(zhì)勘探，精至半導體芯片、電子工業(yè)，各行各業(yè)都不乏其身影。

▲ 由國機集團下屬三磨所生產(chǎn)的應用于半導體行業(yè)的金剛石工具，具備高速高效高精切割、磨拋等功能，是實現(xiàn)晶圓、芯片制造環(huán)節(jié)中不可或缺的工具

       既然這東西這么好，怎么才能得到呢？20世紀50年代末，我國天然金剛石儲量極度缺乏，獲取金剛石嚴重依賴進口。在西方對新中國實施了經(jīng)濟技術封鎖后，依賴進口的工業(yè)用金剛石來源幾乎被全部掐斷。巧婦難為無米之炊，缺少了重要的“工業(yè)牙齒”，新中國的工業(yè)變成了“無牙仔”。為了解決這一難題，人造金剛石成為了天然金剛石的平替，如何生產(chǎn)“工業(yè)牙齒”的問題擺在了當時科技工作者的面前。

       第一顆“工業(yè)牙齒”的誕生

       金剛石和石墨都是碳元素的不同形態(tài)。人造金剛石的生產(chǎn)過程，就是將石墨變成金剛石的過程。1955年，美國通用電氣公司專門制造了高溫高壓靜電設備，得到世界上第一批工業(yè)用人造金剛石小晶體，從而開創(chuàng)了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)人造金剛石的先河。不久，杜邦公司發(fā)明了爆炸法，利用瞬時爆炸產(chǎn)生的高壓和急劇升溫，也獲得了幾毫米大小的人造金剛石。

       1960年10月，原國家第一機械工業(yè)部設立了代號為“121”的研制人造金剛石的國家重點課題，由北京通用機械研究所、鄭州磨料磨具磨削研究所等組成聯(lián)合課題組進行攻關。這兩家企業(yè)，也是國機集團下屬企業(yè)——合肥通用機械研究院有限公司和鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司（簡稱“三磨所”）的前身。

       早些年，馬路邊上經(jīng)常能看到崩爆米花的攤位，一個黑色的“炮臺”在爐頂上不停地旋轉(zhuǎn)，底下燒著火。如果“運氣好”，路過的時候剛好爆開，巨大的響聲經(jīng)常會嚇人一跳，不知道的以為哪里在放炮。

       這和制造金剛石的過程有一些相像，在持續(xù)高溫高壓的環(huán)境下，把“爆米花鍋”換成研制金剛石的兩面頂壓機，加上復雜的壓力、溫度等環(huán)境因素，最終將石墨轉(zhuǎn)變成金剛石，這就是人造金剛石的生產(chǎn)過程。但密封不嚴會造成實驗失敗，沉重而昂貴的設備會崩裂損毀，發(fā)出巨大的爆炸聲，像“開炮”一樣，因此科研人員又戲稱自己是“炮兵”。

       1963年12月6日的晚上，在第32次試驗中，兩面頂壓機中出現(xiàn)了閃閃發(fā)亮的神秘晶體，這意味著中國終于研制成功了第一批人造金剛石，成為世界上第六個掌握人造金剛石技術的國家。

▲ 人造金剛石顆粒合成塊 

▲ 1963年，北京，中國首次成功合成人造金剛石

       這是個十足的好消息，我國僅用了3年，就擁有了自己的人造金剛石生產(chǎn)技術。但問題隨之而來，裝備效率低下、成本昂貴是不爭的事實，想擁有一口完整的“工業(yè)牙齒”依舊不能實現(xiàn)，我們還需要更高效的工業(yè)化生產(chǎn)手段。

       從一顆牙到“一口好牙”

       1964年4月，由鄭州磨料磨具磨削研究所牽頭，聯(lián)合濟南鑄鍛所（現(xiàn)隸屬于國機集團）等開始研制鉸鏈式六面頂壓機，以實現(xiàn)人造金剛石的機械化量產(chǎn)。

▲ 1995年，鄭州，我國第一臺具有完全自主知識產(chǎn)權的人造金剛石合成裝備——“功勛壓機”退役時照片

       在研發(fā)過程中，科研人員獲得了一份特殊的獎勵——一碗羊肉燴面。

       1964年的光景，國家剛度過三年自然災害，填飽肚子都是奢望，更別提能吃上這一碗飄著油花兒的羊肉燴面了。

       1965年11月5日，在超過1300℃的高溫和數(shù)萬倍大氣壓下，“鉸鏈式六面頂壓機”內(nèi)，比指甲還軟的石墨邊緣，終于出現(xiàn)了點點星光般的金剛石，慢慢地一顆顆晶體匯聚成一片“星河”，這也意味著這臺壓機可以量產(chǎn)人造金剛石了，新中國的工業(yè)發(fā)展真正實現(xiàn)了武裝到“牙齒”的壯舉。這臺壓機在當年便生產(chǎn)出人造金剛石10000克拉，在服役的30年時間中，共完成約150萬次的合成，被譽為“功勛壓機”。

▲ 矗立在國機集團下屬三磨所院內(nèi)的功勛壓機

       在越來越成熟的裝備加持下，2023年中國人造金剛石產(chǎn)量突破250億克拉，占全球產(chǎn)量的95%以上。不僅能完全滿足國內(nèi)需求，而且大量出口國際?，F(xiàn)在，從深地鉆探到航空航天，從新能源光伏到IC芯片制造，都在使用人造金剛石，最鋒利的“工業(yè)牙齒”正在啃下一塊又一塊硬骨頭，在中國工業(yè)化進程中散發(fā)著璀璨耀眼的光芒。

▲ 國機集團下屬鄭州新亞復合超硬材料有限公司生產(chǎn)的石油鉆探行業(yè)用產(chǎn)品，廣泛應用于深井、超深井，深海油、頁巖氣等復雜強研磨地層油氣鉆采

▲ 人造金剛石顆粒電鏡圖片