采用高功率（6kW）高频（2.45GHz）微波辅助等离子体外延生长技术，利用高温高压Пb型金刚石为籽晶，通过优化等离子体腔体设计和功率-气压-温度高效耦合，利用温度敏感的衬底步进位移系统，根据生长速率和最佳生长工艺参数的模型，实现温度驱动金刚石籽晶与等离子体距离的动态调整，保证了籽晶表面温度的恒定并实现大厚度单晶金刚石生长；采用红外辐射测温，精确、实时地观测金刚石表面生长状态，实现温度动态调整生长气压和功率，保持最优生长工艺条件；利用高温难熔金属合金作为籽晶托台，利用高纯金箔实现金刚石籽晶与托台的原子级无缝焊接，达到高温下籽晶表面和内部温度分布和热量传输的均匀性，实现高纯度低缺陷的质优粒大单晶金刚石。本项目所制备的单晶金刚石品质可媲美于天然金刚石，处于国内领先水平。总体上处于产业孵化阶段，目前正在申请多项国家发明专利，预计未来市场将以14%的年增长率快速发展，可广泛地应用于珠宝、精密加工、地质钻探、光学仪器、功率器件和航空宇航等领域。现阶段需要攻关的瓶颈技术在于实现金刚石生长设备国产化和二次再开发，从而降低成本和开拓市场。目前金刚石技术和产品主要包含：同质外延生长的单晶金刚石、大尺寸单晶金刚石、大尺寸单晶金刚石膜异质外延生长技术、金刚石涂层制备技术、纳米/超细纳米晶金刚石和金刚石制品抛光技术等六个主要部分。本项目正在研制星载高热流密度器件用金刚石热沉、激光武器用宝石级单晶金刚石窗口和宇航级高能粒子/射线金刚石探测器等航天宇航用关键元器件。本项目依托哈工大特种环境复合材料技术国防科技重点实验室，人才队伍和技术实力雄厚，同时与法国科学院、俄罗斯科学院等金刚石技术的国际顶尖团队进行技术合作，进行大尺寸高品质单晶金刚石、纳米金刚石和金刚石生长装备技术等方面的合作开发，后期将进行金刚石晶体检测和制品性能提升等方面的研发，还需要
进一步的资金支持。 

成果成熟度

完成中试（区域试验阶段）

项目优势

高品质金刚石是能给社会各个领域带来革命性变革的新材料，而制备高品质大尺寸晶体金刚石技术是实现高品质金刚石应用的基础条件。微波CVD制备高品质金刚石晶体和薄膜被公认为是最具前途的金刚石生长技术。本项目旨在以MPCVD系统生长高品质大尺寸晶体金刚石为核心，结合哈工大复合材料与结构研究所的科研优势和我国各行业领域中金刚石开发研究中的基本关键问题，组建完整的高品质晶态金刚石生长工艺流水线，进而研究并开发一系列金刚石相关产品，形成产业优势，带动行业技术进步和经济社会效益的提升。同时，开发出一系列具有我国自主知识产权的金刚石晶体/薄膜/涂层产品和关键技术。该项目的实施不仅有助于建立一个覆盖我省、辐射全国的高品质大尺寸晶体金刚石生长技术研发基地，而且对于增强东北老工业基地核心竞争力、全面提升我国晶体金刚石制备水平均具有十分重要的意义。

行业及市场

本项目属于冶金矿产和新材料行业，高品质单晶金刚石及制品行业预计2020年将达到1.5亿美元，年增长率达到14%，主要应用领域在于大功率微波器件热沉、高功率激光窗口等应用。全球高品质单晶金刚石及制品主要提供商有英国E6公司、美国Apollo公司和日本的住友集团。国内的金刚石产量虽然高达世界总量的70%，但多是工具级的低端金刚石，附加值低，处于行业下游，竞争力不足。但是国内具有制备高品质金刚石丰富的HPHT籽晶原材料，通过技术引进和合作开发，突破高品质单晶关键工艺和装备技术，国内高品质金刚石产业的发展前景将会非常广阔。

收入预测

目前金刚石行业销售毛利润平均可达20%左右，而业内第一梯队的利润总额可达6000万元/年的水平，而全年营收总收入可达5~6亿。而随着金刚石生长技术水平的提高和技术投资的下降，利润率将进一步提高。而对于高品质单晶金刚石的系列产品，预估利润率将会更进一步地提高。

融资说明

申请孵化基金1000万元，用于升级高质量微波辅助CVD系统的国产化和国产设备的二次再开发，以及项目后期及市场化阶段需要的用于金刚石制品的高功率激光切割机、高精度抛光机、等离子刻蚀机以及大尺寸异质外延生长用晶态过渡层制备设备，另外，还用于购置样品和制品检测的拉曼光谱仪、阴极射线光谱仪、荧光光谱仪和金刚石缺陷检测仪等设备。

项目团队主要成员简介

韩杰才，1966年生，国家杰出青年基金获得者、国家自然科学基金创新研究群体负责人（力学学科）。现任哈尔滨工业大学副校长、特种环境复合材料技术国防科技重点实验室主任，总装备部先进材料技术专家组成员，国家863计划航天航空领域702主题专家组副组长。朱嘉琦，1974年生，哈尔滨工业大学航天学院教授、博导，担任总装隐身技术专家组成员等学术兼职，入选国家自然科学基金委优秀青年基金、科技部科技创新领军人才等等人才项目，获得中国青年科技奖和省青年五四奖章等荣誉，获国家技术发明奖二等奖(第2)和黑龙江省技术发明一等奖(第1)各1项。代兵，1984年生，毕业于日本名古屋大学，博士，哈尔滨工业大学讲师，主要从事金刚石晶体和多功能薄膜材料研究。

成果完成单位