非凡十年·特别報道⑧ | 人工(gōng)晶體(tǐ)院：“金剛鑽”是如何煉成的

中(zhōng)國(guó)第一塊人工(gōng)合成水晶誕生在哪裏？第一塊人工(gōng)合成雲母又(yòu)誕生在哪裏？第一顆锆寶石誕生在哪裏？

它們都誕生于同一個地方——中(zhōng)國(guó)建材集團有(yǒu)限公(gōng)司（下稱“中(zhōng)國(guó)建材”）旗下企業中(zhōng)材人工(gōng)晶體(tǐ)研究院有(yǒu)限公(gōng)司（下稱“晶體(tǐ)院”）。

擴大來說，中(zhōng)國(guó)的人工(gōng)晶體(tǐ)事業就誕生于晶體(tǐ)院。晶體(tǐ)院不僅獨立制造了上述三個第一，還參與研制中(zhōng)國(guó)第一顆人造金剛石，後又(yòu)在非線(xiàn)性光學(xué)晶體(tǐ)研究領域取得了具(jù)有(yǒu)國(guó)際領先水平的開拓性成果，獲得國(guó)家科(kē)技(jì )進步一等獎兩項、二等獎一項，為(wèi)“中(zhōng)國(guó)牌晶體(tǐ)”在世界人工(gōng)晶體(tǐ)領域占有(yǒu)一席之地做出了應有(yǒu)貢獻，同時奠定了晶體(tǐ)院在人工(gōng)晶體(tǐ)行業的領先地位，并引領中(zhōng)國(guó)人工(gōng)晶體(tǐ)行業的發展。

人工(gōng)晶體(tǐ)是中(zhōng)國(guó)建材新(xīn)材料投資的重要領域。晶體(tǐ)院建院至今，一直專注于人工(gōng)晶體(tǐ)材料與器件的研究與開發，在幾代人的共同努力下，保持了人工(gōng)晶體(tǐ)研發領先地位，始終引領着行業的發展方向，目前是國(guó)内涵蓋人工(gōng)晶體(tǐ)種類最為(wèi)齊全的單位。

時至今日，晶體(tǐ)院繼續以微納晶、紅外光窗、光電(diàn)功能(néng)及超硬材料等人工(gōng)晶體(tǐ)的研究、開發、中(zhōng)試、生産(chǎn)為(wèi)主要方向，持續為(wèi)中(zhōng)國(guó)的機械、電(diàn)氣、電(diàn)子、儀表以及航空航天、國(guó)防工(gōng)業提供重要材料。中(zhōng)國(guó)建材集團黨委書記、董事長(cháng)周育先調研時指出，晶體(tǐ)院要堅持服務(wù)國(guó)家戰略，發揮科(kē)技(jì )引領作(zuò)用(yòng)，為(wèi)國(guó)家重大需求提供強力支撐，也要在适合國(guó)民(mín)經濟主戰場的産(chǎn)業發展中(zhōng)取得突破。

01三大成果

人工(gōng)晶體(tǐ)被譽為(wèi)“新(xīn)材料領域的璀璨明珠”，在材料學(xué)分(fēn)類上，它屬于光電(diàn)信息功能(néng)材料，是聲、光、電(diàn)、熱、力、磁等多(duō)種能(néng)量形式轉換的媒介，在許多(duō)國(guó)家重大工(gōng)程和戰略性新(xīn)興産(chǎn)業發展中(zhōng)起到了關鍵“核芯”作(zuò)用(yòng)。

1963年2月，為(wèi)解決新(xīn)中(zhōng)國(guó)在關鍵原材料方面的“卡脖子”問題，遵照劉少奇指示，國(guó)家建工(gōng)部成立了非金屬礦研究所，即晶體(tǐ)院的前身。

自成立以來，晶體(tǐ)院為(wèi)突破人工(gōng)晶體(tǐ)領域關鍵“卡脖子”技(jì )術限制、為(wèi)國(guó)家重點裝(zhuāng)備配套關鍵材料，為(wèi)提高中(zhōng)國(guó)關鍵核心技(jì )術的自主可(kě)控能(néng)力而攻堅克難。

以CVDZnS為(wèi)例。作(zuò)為(wèi)紅外成像探測系統中(zhōng)重要的窗口材料，CVDZnS紅外透過率高，光學(xué)性能(néng)穩定，抗斷裂強度和硬度強，耐侵蝕能(néng)力好，被譽為(wèi)紅外光學(xué)探測系統的“眼角膜”，是不可(kě)或缺的國(guó)防建設關鍵材料。

可(kě)在當年，僅有(yǒu)極少數國(guó)家掌握了大尺寸ZnS的制備技(jì )術，并無一例外地對他(tā)國(guó)實行封鎖禁運，這一技(jì )術直到現在仍是許多(duō)國(guó)家國(guó)防建設領域的“卡脖子”難題。

面對制備CVDZnS的國(guó)防需求，晶體(tǐ)院創新(xīn)性地提出了獨特的固體(tǐ)單質(zhì)化學(xué)氣相沉積技(jì )術路線(xiàn)，最終研制出的元素級CVDZnS具(jù)備優異的高溫成像性能(néng)，成功應用(yòng)于高速飛行器中(zhōng)。該裝(zhuāng)備于2019年國(guó)慶閱兵時亮相，驚豔了海内外。

元素級CVD硫化鋅 

圍繞國(guó)防建設中(zhōng)紅外系統對于大尺寸CVDZnS的需求，晶體(tǐ)院組建了高技(jì )術團隊，依靠自主研發投入，生産(chǎn)出大尺寸CVDZnS産(chǎn)品，且用(yòng)時不到一年。自此徹底打破了國(guó)際封鎖，其各項指标皆能(néng)比肩國(guó)際先進水平。

2021年，大尺寸多(duō)光譜ZnS已在紅外光學(xué)系統中(zhōng)獲得應用(yòng)。晶體(tǐ)院由此成為(wèi)全球僅有(yǒu)的幾家具(jù)備熱壓、單質(zhì)CVD法、氣體(tǐ)CVD法3種ZnS制備技(jì )術、全部5種ZnS窗口材料的單位，是國(guó)内元素級ZnS鍍膜窗口材料的為(wèi)數不多(duō)供應單位，具(jù)有(yǒu)CVDZnS單爐産(chǎn)能(néng)高、産(chǎn)品尺寸大等優勢，材料品種全、覆蓋波段寬、制備方法多(duō)、技(jì )術水平高等特色。

再以超低膨脹微納晶材料為(wèi)例。超低膨脹微納晶材料是以β－石英固溶體(tǐ)晶粒和玻璃相組成的一種多(duō)晶複合材料，具(jù)備極低的熱膨脹系數，是目前非均勻溫場下尺寸穩定性最好的材料，因此被應用(yòng)于國(guó)家重大科(kē)學(xué)裝(zhuāng)置、航空航天、深空探測、激光通信等領域。

在國(guó)防建設領域，超低膨脹微納晶材料主要被用(yòng)于反射鏡和激光陀螺；在民(mín)用(yòng)領域，該材料主要應用(yòng)于可(kě)視化微晶炊具(jù)，手機面闆及背闆等。

而這一材料的制備技(jì )術也曾一度被外國(guó)壟斷并施以技(jì )術封鎖。

晶體(tǐ)院再次發揚攻堅克難的精(jīng)神，迅速打破了技(jì )術封鎖僵局，解決了米級系列超低膨脹微晶材料的“卡脖子”難題。

晶體(tǐ)院是目前國(guó)内少數能(néng)批産(chǎn)直徑1200mm系列超低膨脹微晶材料且材料性能(néng)達到國(guó)際先進水平的單位。在激光陀螺方面，超低膨脹微晶材料全面達到考核指标，成功應用(yòng)于慣性導航基準系統核心部件，實現了該材料的國(guó)産(chǎn)化替代。

RbTiOPO4這一化學(xué)式指的是磷酸氧钛铷（簡稱“RTP”）晶體(tǐ)。該晶體(tǐ)以高電(diàn)光系數、高抗激光損傷阈值、寬透過波段、不潮解、低插入損耗、高重頻等綜合優異性能(néng)成為(wèi)新(xīn)一代電(diàn)光器件用(yòng)材料，在機載/艦載/車(chē)載裝(zhuāng)備的火控系統及光電(diàn)對抗系統中(zhōng)獲得了較為(wèi)廣泛的應用(yòng)，且在空間通信、激光加工(gōng)、激光打标、高速激光脈沖應用(yòng)等民(mín)用(yòng)領域也有(yǒu)着巨大市場需求。

為(wèi)将這一“卡脖子”材料握在手中(zhōng)，晶體(tǐ)院開啓了RTP晶體(tǐ)開關工(gōng)程化技(jì )術研究，最終完全掌握了突破高光學(xué)均勻性、抗緻電(diàn)損傷電(diàn)光RTP晶體(tǐ)生長(cháng)及電(diàn)光開關制備技(jì )術，并已開始批量交付，用(yòng)于無人機、直升機的激光測距和指示系統，逐步實現了國(guó)産(chǎn)化替代。

02攻堅克難

借助國(guó)家各部委和中(zhōng)國(guó)建材集團的大力支持，晶體(tǐ)院将CVDZnS材料、微納晶材料、RTP等材料的短闆鍛造為(wèi)長(cháng)闆，滿足了國(guó)家重大戰略需求，實現了關鍵核心技(jì )術的自主可(kě)控。

創造出這樣的驕人成績，離不開三件法寶：一是樹立科(kē)技(jì )自立自強的意識，發揮國(guó)有(yǒu)企業在構建關鍵核心技(jì )術攻關行動中(zhōng)的頂梁柱作(zuò)用(yòng)。二是大力弘揚“敢闖敢創、善作(zuò)善成”的新(xīn)時代闖關東精(jīng)神和攻堅克難拼搏精(jīng)神，尊重團隊專家人才的核心作(zuò)用(yòng)，建立首席專家、學(xué)科(kē)帶頭人制度，保障技(jì )術負責人的收入可(kě)以高于領導班子成員。三是結合實際應用(yòng)，深刻認識和理(lǐ)解晶體(tǐ)行業特點，加速晶體(tǐ)材料的“卡脖子”技(jì )術攻關和創新(xīn)。并在精(jīng)耕材料的同時，以“晶體(tǐ)-元件-器件-模組”一體(tǐ)化發展路徑不斷向下延伸提升競争力。

在高速飛行器用(yòng)紅外光學(xué)窗口制備技(jì )術方面始終存有(yǒu)一個難題，那就是在高速飛行中(zhōng)，溫度超過500℃時，窗口易出現不穩定及受損情況。

面對這一問題，晶體(tǐ)院迎難而上，經多(duō)角度分(fēn)析，确定了解決問題的兩大難點：高溫條件下材料和膜層的低輻射性能(néng)弱；窗口膜層的抗高熱沖擊性能(néng)差。

确定難點後，晶體(tǐ)院采用(yòng)獨有(yǒu)的固體(tǐ)單質(zhì)化學(xué)氣相沉積技(jì )術，制備出發射率低于0.05的元素級ZnS窗口材料，滿足了高溫下低輻射的性能(néng)。至于表面膜層，通過特殊的強離子源輔助鍍膜技(jì )術，大幅提升膜層與基底結合的牢固度，從而保證高速飛行中(zhōng)強熱氣流沖擊時膜層的完好。自此，晶體(tǐ)院圓滿地解決了高速飛行器上紅外導引頭保護的關鍵性問題，填補了國(guó)内空白。

在激光陀螺用(yòng)微晶材料制備技(jì )術方面，晶體(tǐ)院準确鎖定技(jì )術難點——如何保證批産(chǎn)高品質(zhì)微晶材料性能(néng)的穩定、一緻性及低成本制造。

微晶玻璃産(chǎn)品 

問題倒推，晶體(tǐ)院先确定生産(chǎn)工(gōng)藝等因素對微晶材料性能(néng)指标影響的邊界範圍，随之改進設備使其具(jù)備工(gōng)藝邊界範圍的調控能(néng)力，提高設備的自動化能(néng)力，盡可(kě)能(néng)減少人的參與，優化并固化溫度、時間、速度、尺寸等參數。在提高微晶材料優級品率的同時，保證批産(chǎn)高品質(zhì)微晶材料性能(néng)的穩定和一緻性，并降低了人工(gōng)成本。

大口徑微晶材料的技(jì )術難點是防止開裂。為(wèi)解決這一難點，晶體(tǐ)院通過反複實驗測試，自行設計了一款均熱成型裝(zhuāng)置，保證大口徑微晶材料成型過程的溫場均勻性，減少成型條紋的産(chǎn)生。其次是改良急冷裝(zhuāng)置保證大口徑微晶材料出爐後快速均勻冷卻，防止微晶材料急冷降溫過程中(zhōng)不可(kě)控析晶發生，降低退火應力。

在RTP高峰值功率電(diàn)光晶體(tǐ)與器件制備技(jì )術方面，晶體(tǐ)院面對的技(jì )術攻關更是難上加難，即電(diàn)光器件在應用(yòng)場景中(zhōng)，需連續經曆千萬次高峰值功率激光應用(yòng)而不出現一次開關功能(néng)失效現象。這一難點是随着“全天候”“精(jīng)确”“複雜環境”等需求而産(chǎn)生的，要求器件必須可(kě)以在嚴苛的環境條件下長(cháng)期穩定工(gōng)作(zuò)。因此，晶體(tǐ)電(diàn)光器件必須滿足長(cháng)壽命、大口徑、高消光比、低插入損耗、高環境适應性、高可(kě)靠性、小(xiǎo)巧精(jīng)巧化等要求。

晶體(tǐ)院從分(fēn)析晶體(tǐ)結構入手，确定晶體(tǐ)導電(diàn)的本質(zhì)和影響因素，選擇合适的晶體(tǐ)生長(cháng)體(tǐ)系，解決了晶體(tǐ)電(diàn)阻率問題。通過研究晶體(tǐ)導電(diàn)機理(lǐ)，确定導緻高電(diàn)導率的本質(zhì)問題和影響因素，并優化生長(cháng)技(jì )術工(gōng)藝、采用(yòng)激光實時在線(xiàn)封裝(zhuāng)，一舉解決了RTP晶體(tǐ)電(diàn)阻率、均勻性、單疇性等電(diàn)光性能(néng)調控耦合技(jì )術、器件設計與裝(zhuāng)配等“卡脖子”難題。

03打造産(chǎn)業鏈

在核心技(jì )術必須自主可(kě)控的大趨勢下，人工(gōng)晶體(tǐ)的不可(kě)或缺性日益凸顯。

在國(guó)内，晶體(tǐ)院已是涵蓋人工(gōng)晶體(tǐ)種類最齊全的單位，若深究晶體(tǐ)院的自身優勢，則大體(tǐ)可(kě)分(fēn)為(wèi)四點：

一是晶體(tǐ)院自建院至今，始終專注于人工(gōng)晶體(tǐ)材料與器件的研究與開發。在幾代人的共同努力下，晶體(tǐ)院始終位于人工(gōng)晶體(tǐ)技(jì )術的最前沿，引領着行業的發展方向。

二是業已形成的功能(néng)晶體(tǐ)材料、紅外光學(xué)材料、微納晶材料三大優勢領域。

三是晶體(tǐ)院為(wèi)全國(guó)人工(gōng)晶體(tǐ)标準化技(jì )術委員會和人工(gōng)晶體(tǐ)北京市工(gōng)程實驗室挂靠單位，承擔着《人工(gōng)晶體(tǐ)學(xué)報》和《矽酸鹽通報》兩本專業核心期刊的出版發行工(gōng)作(zuò)。其中(zhōng)，《人工(gōng)晶體(tǐ)學(xué)報》在人工(gōng)晶體(tǐ)領域具(jù)有(yǒu)舉足輕重的地位和影響力。這都是行業内不可(kě)多(duō)得的優勢資源，為(wèi)晶體(tǐ)院成為(wèi)行業服務(wù)者、提供學(xué)術交流和科(kē)技(jì )成果轉化、孵化提供了重要平台。

四是晶體(tǐ)院雙創基地的創新(xīn)優勢。創新(xīn)驅動和市場化導向是晶體(tǐ)院曆來所堅持的，為(wèi)此搭建了“研究院+産(chǎn)業園區(qū)+基金+創業公(gōng)司”四位一體(tǐ)發展路徑，探索科(kē)技(jì )成果轉化新(xīn)模式，圍繞産(chǎn)業鏈上下遊，聯合山(shān)東大學(xué)在濟南章丘建設人工(gōng)晶體(tǐ)材料及器件産(chǎn)業化基地和雙創基地，增強産(chǎn)業的核心競争力，帶動行業整體(tǐ)制造水平的提高。通過積極尋找市場上有(yǒu)潛力、符合晶體(tǐ)産(chǎn)業發展方向、有(yǒu)能(néng)力的創業團隊和創業公(gōng)司，引進到山(shān)東濟南産(chǎn)業基地，為(wèi)其提供平台和資源支持，通過共享開放平台引入高端人才為(wèi)晶體(tǐ)院所用(yòng)，實現晶體(tǐ)院與專業人才共同發展。

作(zuò)為(wèi)市場的引領者，晶體(tǐ)院圍繞産(chǎn)業鏈部署創新(xīn)鏈、圍繞創新(xīn)鏈布局産(chǎn)業鏈，通過産(chǎn)業鏈、創新(xīn)鏈尋找價值鏈。

為(wèi)此，晶體(tǐ)院梳理(lǐ)了人造水晶、金剛石、閃爍晶體(tǐ)等6個晶體(tǐ)産(chǎn)業鏈條，組織開展項目路演、成果發布等吸引金融資本和社會資本，向優質(zhì)新(xīn)材料科(kē)技(jì )成果轉化集聚，打通成果轉化的“死亡谷”。

晶體(tǐ)院在科(kē)技(jì )成果轉化方面進行大膽嘗試和探索，以耐熱微晶材料、金剛石制品兩個技(jì )術為(wèi)突破口，以技(jì )術服務(wù)的形式實現對外成果轉化，走出了科(kē)技(jì )成果轉化的第一步，為(wèi)企業創造了價值。

微晶材料通過技(jì )術轉化，開發出以微晶鍋、微晶内膽、電(diàn)磁爐面闆為(wèi)代表的微晶炊具(jù)廚具(jù)和手機背闆等多(duō)項民(mín)用(yòng)産(chǎn)品，實現了微晶材料在民(mín)用(yòng)領域的應用(yòng)。

剛硬、透明、受熱不漲、遇冷不縮、表面光滑是微晶炊具(jù)廚具(jù)的特點。以微晶鍋為(wèi)例，它适用(yòng)于明火、電(diàn)爐、烤爐、微波爐。在消費升級的大趨勢之下，微晶透明炊具(jù)廚具(jù)的市場需求進一步擴大。微晶材料還具(jù)有(yǒu)高透光性、高硬度、高耐磨性、良好的熱穩定性與化學(xué)穩定性、極低的電(diàn)磁波傳輸衰減性能(néng)等特點，可(kě)用(yòng)于手機組件，由前蓋闆觸摸屏、顯示器到後蓋闆，使得手機抗摔能(néng)力提高、強韌程度增大。

2020年，晶體(tǐ)院以技(jì )術入股方式與民(mín)營企業合作(zuò)，成立合資公(gōng)司，發揮各自優勢，共同開發民(mín)用(yòng)市場。目前樣品獲得客戶認可(kě)，正開展生産(chǎn)線(xiàn)建設工(gōng)作(zuò)，虎石公(gōng)司與小(xiǎo)家電(diàn)企業美的已簽訂100萬隻産(chǎn)品訂單。

高精(jīng)密類金剛石塗層技(jì )術成果在高頻PCB闆加工(gōng)刀(dāo)具(jù)上實現應用(yòng)，并向深圳某企業提供技(jì )術服務(wù)，使得5G通信用(yòng)基礎材料升級後産(chǎn)生的加工(gōng)問題得到解決。目前，晶體(tǐ)院就金剛石及類金剛石塗層工(gōng)具(jù)及其制品的開發和産(chǎn)業化已與深圳市一家企業簽訂了技(jì )術咨詢服務(wù)合同，開發出适用(yòng)于高頻PCB闆加工(gōng)的高精(jīng)度DLC膜硬質(zhì)合金工(gōng)具(jù)，産(chǎn)品已經為(wèi)華為(wèi)等主要手機客戶服務(wù)。

金剛石便攜消殺儀 

金剛石膜是晶體(tǐ)院的傳統産(chǎn)品，如果在生長(cháng)時摻雜适量的硼元素，成品就會變成導電(diàn)的電(diàn)極（簡稱BDD），在日用(yòng)消毒殺菌、工(gōng)業污水處理(lǐ)等領域有(yǒu)着廣闊的應用(yòng)前景。摻硼金剛石電(diàn)極具(jù)有(yǒu)較高的析氧過電(diàn)位，通過電(diàn)極反應産(chǎn)生強化性的羟基自由基，能(néng)有(yǒu)效降解有(yǒu)機污染物(wù)，适用(yòng)于有(yǒu)毒、難降解的超高濃度有(yǒu)機污染物(wù)廢水的電(diàn)化學(xué)處理(lǐ)，如印刷電(diàn)路闆廢液回用(yòng)、醫(yī)院污水消毒和垃圾滲透液的處理(lǐ)等。同時它的耐腐蝕、無污染、背景電(diàn)流幾乎為(wèi)零、能(néng)耗低等諸多(duō)性能(néng)優勢，使其成為(wèi)極佳的電(diàn)化學(xué)電(diàn)極材料。

在後疫情時代，市場對消殺産(chǎn)品的需求也将保持在高位。而金剛石電(diàn)極制臭氧是國(guó)際公(gōng)認的先進消殺手段，彌補了傳統消殺方式引起的環境污染、易燃易爆、效果不佳等短闆，避免高壓放電(diàn)制臭氧産(chǎn)生的NOx二次污染問題，是當前消殺領域的先進技(jì )術，滅殺率可(kě)達99.999%，為(wèi)日常生活、醫(yī)療、養殖、工(gōng)業淨水等行業提供高效簡便的消毒殺菌處理(lǐ)。

目前，晶體(tǐ)院抓住了市場機會組建團隊，利用(yòng)金剛石膜技(jì )術積累，以提供技(jì )術服務(wù)的形式對外轉化，現階段已經開發出便攜式金剛石消殺儀，打通了材料、器件到産(chǎn)品的産(chǎn)業鏈條。

2022年是“十四五”的開局之年。在此期間，晶體(tǐ)院将實現CVDZnS材料規模化量産(chǎn)，同時将深加工(gōng)、鍍膜等産(chǎn)業鏈條延伸，提高産(chǎn)品附加值，建成集材料制備、成型加工(gōng)、鍍膜于一體(tǐ)的紅外産(chǎn)業基地。也将面向高分(fēn)衛星對于大口徑微晶材料的需求，完成2米口徑微晶材料生産(chǎn)線(xiàn)的建設，突破3米以上更大口徑微晶材料關鍵技(jì )術，進一步縮小(xiǎo)與國(guó)際最高水平差距，實現反射鏡用(yòng)微晶材料全面進口替代。

在紅外光學(xué)材料方面，晶體(tǐ)院圍繞服務(wù)國(guó)防建設，加強裝(zhuāng)備配套能(néng)力，提高加工(gōng)、鍍膜技(jì )術。對熱壓多(duō)晶紅外光學(xué)材料、CVD 硫化鋅、CVD硒化鋅、鎂鋁尖晶石、大尺寸藍寶石等材料業務(wù)進行一體(tǐ)化整合，具(jù)備“原料—制備—加工(gōng)—鍍膜”一體(tǐ)化生産(chǎn)能(néng)力，緻力于打造國(guó)内規模最大，制備方法最全、覆蓋全波段的産(chǎn)品生産(chǎn)線(xiàn)。

在微納晶材料方面，晶體(tǐ)院不僅抓住市場的發展機遇，建設尺寸 2~3 米微納晶生産(chǎn)線(xiàn)，力争成為(wèi)中(zhōng)國(guó)第一。并且以用(yòng)戶為(wèi)牽引，依托自身在材料方面的優勢與産(chǎn)業鏈中(zhōng)下遊加工(gōng)制造企業開展合作(zuò)，适時開展并購(gòu)，快速做大做強，切實打造“專精(jīng)特新(xīn)”人工(gōng)晶體(tǐ)科(kē)技(jì )創新(xīn)平台。同時在民(mín)用(yòng)市場方面開發電(diàn)飯鍋内膽、直燒鍋等微晶炊具(jù)廚具(jù)和微納晶手機面闆背闆等市場。