中國第一塊人工合成水晶誕生在哪里？第一塊人工合成云母又誕生在哪里？第一顆鋯寶石誕生在哪里？

它們都誕生于同一個(gè)地方——中國建材集團(tuán)有限公司（下稱“中國建材”）旗下企業(yè)中材人工晶體研究院有限公司（下稱“晶體院”）。

擴(kuò)大來說，中國的人工晶體事業(yè)就誕生于晶體院。晶體院不僅獨(dú)立制造了上述三個(gè)第一，還參與研制中國第一顆人造金剛石，后又在非線性光學(xué)晶體研究領(lǐng)域取得了具有國際領(lǐng)先水平的開拓性成果，獲得國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)、二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，為“中國牌晶體”在世界人工晶體領(lǐng)域占有一席之地做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)，同時(shí)奠定了晶體院在人工晶體行業(yè)的領(lǐng)先地位，并引領(lǐng)中國人工晶體行業(yè)的發(fā)展。

人工晶體是中國建材新材料投資的重要領(lǐng)域。晶體院建院至今，一直專注于人工晶體材料與器件的研究與開發(fā)，在幾代人的共同努力下，保持了人工晶體研發(fā)領(lǐng)先地位，始終引領(lǐng)著行業(yè)的發(fā)展方向，目前是國內(nèi)涵蓋人工晶體種類最為齊全的單位。

時(shí)至今日，晶體院繼續(xù)以微納晶、紅外光窗、光電功能及超硬材料等人工晶體的研究、開發(fā)、中試、生產(chǎn)為主要方向，持續(xù)為中國的機(jī)械、電氣、電子、儀表以及航空航天、國防工業(yè)提供重要材料。中國建材集團(tuán)黨委書記、董事長周育先調(diào)研時(shí)指出，晶體院要堅(jiān)持服務(wù)國家戰(zhàn)略，發(fā)揮科技引領(lǐng)作用，為國家重大需求提供強(qiáng)力支撐，也要在適合國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場的產(chǎn)業(yè)發(fā)展中取得突破。

01三大成果

人工晶體被譽(yù)為“新材料領(lǐng)域的璀璨明珠”，在材料學(xué)分類上，它屬于光電信息功能材料，是聲、光、電、熱、力、磁等多種能量形式轉(zhuǎn)換的媒介，在許多國家重大工程和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起到了關(guān)鍵“核芯”作用。

1963年2月，為解決新中國在關(guān)鍵原材料方面的“卡脖子”問題，遵照劉少奇指示，國家建工部成立了非金屬礦研究所，即晶體院的前身。

自成立以來，晶體院為突破人工晶體領(lǐng)域關(guān)鍵“卡脖子”技術(shù)限制、為國家重點(diǎn)裝備配套關(guān)鍵材料，為提高中國關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控能力而攻堅(jiān)克難。

以CVDZnS為例。作為紅外成像探測系統(tǒng)中重要的窗口材料，CVDZnS紅外透過率高，光學(xué)性能穩(wěn)定，抗斷裂強(qiáng)度和硬度強(qiáng)，耐侵蝕能力好，被譽(yù)為紅外光學(xué)探測系統(tǒng)的“眼角膜”，是不可或缺的國防建設(shè)關(guān)鍵材料。

可在當(dāng)年，僅有極少數(shù)國家掌握了大尺寸ZnS的制備技術(shù)，并無一例外地對他國實(shí)行封鎖禁運(yùn)，這一技術(shù)直到現(xiàn)在仍是許多國家國防建設(shè)領(lǐng)域的“卡脖子”難題。

面對制備CVDZnS的國防需求，晶體院創(chuàng)新性地提出了獨(dú)特的固體單質(zhì)化學(xué)氣相沉積技術(shù)路線，最終研制出的元素級CVDZnS具備優(yōu)異的高溫成像性能，成功應(yīng)用于高速飛行器中。該裝備于2019年國慶閱兵時(shí)亮相，驚艷了海內(nèi)外。

元素級CVD硫化鋅 

圍繞國防建設(shè)中紅外系統(tǒng)對于大尺寸CVDZnS的需求，晶體院組建了高技術(shù)團(tuán)隊(duì)，依靠自主研發(fā)投入，生產(chǎn)出大尺寸CVDZnS產(chǎn)品，且用時(shí)不到一年。自此徹底打破了國際封鎖，其各項(xiàng)指標(biāo)皆能比肩國際先進(jìn)水平。

2021年，大尺寸多光譜ZnS已在紅外光學(xué)系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。晶體院由此成為全球僅有的幾家具備熱壓、單質(zhì)CVD法、氣體CVD法3種ZnS制備技術(shù)、全部5種ZnS窗口材料的單位，是國內(nèi)元素級ZnS鍍膜窗口材料的為數(shù)不多供應(yīng)單位，具有CVDZnS單爐產(chǎn)能高、產(chǎn)品尺寸大等優(yōu)勢，材料品種全、覆蓋波段寬、制備方法多、技術(shù)水平高等特色。

再以超低膨脹微納晶材料為例。超低膨脹微納晶材料是以β－石英固溶體晶粒和玻璃相組成的一種多晶復(fù)合材料，具備極低的熱膨脹系數(shù)，是目前非均勻溫場下尺寸穩(wěn)定性最好的材料，因此被應(yīng)用于國家重大科學(xué)裝置、航空航天、深空探測、激光通信等領(lǐng)域。

在國防建設(shè)領(lǐng)域，超低膨脹微納晶材料主要被用于反射鏡和激光陀螺；在民用領(lǐng)域，該材料主要應(yīng)用于可視化微晶炊具，手機(jī)面板及背板等。

而這一材料的制備技術(shù)也曾一度被外國壟斷并施以技術(shù)封鎖。

晶體院再次發(fā)揚(yáng)攻堅(jiān)克難的精神，迅速打破了技術(shù)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。

晶體院是目前國內(nèi)少數(shù)能批產(chǎn)直徑1200mm系列超低膨脹微晶材料且材料性能達(dá)到國際先進(jìn)水平的單位。在激光陀螺方面，超低膨脹微晶材料全面達(dá)到考核指標(biāo)，成功應(yīng)用于慣性導(dǎo)航基準(zhǔn)系統(tǒng)核心部件，實(shí)現(xiàn)了該材料的國產(chǎn)化替代。

RbTiOPO4這一化學(xué)式指的是磷酸氧鈦銣（簡稱“RTP”）晶體。該晶體以高電光系數(shù)、高抗激光損傷閾值、寬透過波段、不潮解、低插入損耗、高重頻等綜合優(yōu)異性能成為新一代電光器件用材料，在機(jī)載/艦載/車載裝備的火控系統(tǒng)及光電對抗系統(tǒng)中獲得了較為廣泛的應(yīng)用，且在空間通信、激光加工、激光打標(biāo)、高速激光脈沖應(yīng)用等民用領(lǐng)域也有著巨大市場需求。

為將這一“卡脖子”材料握在手中，晶體院開啟了RTP晶體開關(guān)工程化技術(shù)研究，最終完全掌握了突破高光學(xué)均勻性、抗致電損傷電光RTP晶體生長及電光開關(guān)制備技術(shù)，并已開始批量交付，用于無人機(jī)、直升機(jī)的激光測距和指示系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化替代。

02攻堅(jiān)克難

借助國家各部委和中國建材集團(tuán)的大力支持，晶體院將CVDZnS材料、微納晶材料、RTP等材料的短板鍛造為長板，滿足了國家重大戰(zhàn)略需求，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)的自主可控。

創(chuàng)造出這樣的驕人成績，離不開三件法寶：一是樹立科技自立自強(qiáng)的意識，發(fā)揮國有企業(yè)在構(gòu)建關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)行動(dòng)中的頂梁柱作用。二是大力弘揚(yáng)“敢闖敢創(chuàng)、善作善成”的新時(shí)代闖關(guān)東精神和攻堅(jiān)克難拼搏精神，尊重團(tuán)隊(duì)專家人才的核心作用，建立首席專家、學(xué)科帶頭人制度，保障技術(shù)負(fù)責(zé)人的收入可以高于領(lǐng)導(dǎo)班子成員。三是結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，深刻認(rèn)識和理解晶體行業(yè)特點(diǎn)，加速晶體材料的“卡脖子”技術(shù)攻關(guān)和創(chuàng)新。并在精耕材料的同時(shí)，以“晶體-元件-器件-模組”一體化發(fā)展路徑不斷向下延伸提升競爭力。

在高速飛行器用紅外光學(xué)窗口制備技術(shù)方面始終存有一個(gè)難題，那就是在高速飛行中，溫度超過500℃時(shí)，窗口易出現(xiàn)不穩(wěn)定及受損情況。

面對這一問題，晶體院迎難而上，經(jīng)多角度分析，確定了解決問題的兩大難點(diǎn)：高溫條件下材料和膜層的低輻射性能弱；窗口膜層的抗高熱沖擊性能差。

確定難點(diǎn)后，晶體院采用獨(dú)有的固體單質(zhì)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，制備出發(fā)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。至于表面膜層，通過特殊的強(qiáng)離子源輔助鍍膜技術(shù)，大幅提升膜層與基底結(jié)合的牢固度，從而保證高速飛行中強(qiáng)熱氣流沖擊時(shí)膜層的完好。自此，晶體院圓滿地解決了高速飛行器上紅外導(dǎo)引頭保護(hù)的關(guān)鍵性問題，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

在激光陀螺用微晶材料制備技術(shù)方面，晶體院準(zhǔn)確鎖定技術(shù)難點(diǎn)——如何保證批產(chǎn)高品質(zhì)微晶材料性能的穩(wěn)定、一致性及低成本制造。

微晶玻璃產(chǎn)品 

問題倒推，晶體院先確定生產(chǎn)工藝等因素對微晶材料性能指標(biāo)影響的邊界范圍，隨之改進(jìn)設(shè)備使其具備工藝邊界范圍的調(diào)控能力，提高設(shè)備的自動(dòng)化能力，盡可能減少人的參與，優(yōu)化并固化溫度、時(shí)間、速度、尺寸等參數(shù)。在提高微晶材料優(yōu)級品率的同時(shí)，保證批產(chǎn)高品質(zhì)微晶材料性能的穩(wěn)定和一致性，并降低了人工成本。

大口徑微晶材料的技術(shù)難點(diǎn)是防止開裂。為解決這一難點(diǎn)，晶體院通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)測試，自行設(shè)計(jì)了一款均熱成型裝置，保證大口徑微晶材料成型過程的溫場均勻性，減少成型條紋的產(chǎn)生。其次是改良急冷裝置保證大口徑微晶材料出爐后快速均勻冷卻，防止微晶材料急冷降溫過程中不可控析晶發(fā)生，降低退火應(yīng)力。

在RTP高峰值功率電光晶體與器件制備技術(shù)方面，晶體院面對的技術(shù)攻關(guān)更是難上加難，即電光器件在應(yīng)用場景中，需連續(xù)經(jīng)歷千萬次高峰值功率激光應(yīng)用而不出現(xiàn)一次開關(guān)功能失效現(xiàn)象。這一難點(diǎn)是隨著“全天候”“精確”“復(fù)雜環(huán)境”等需求而產(chǎn)生的，要求器件必須可以在嚴(yán)苛的環(huán)境條件下長期穩(wěn)定工作。因此，晶體電光器件必須滿足長壽命、大口徑、高消光比、低插入損耗、高環(huán)境適應(yīng)性、高可靠性、小巧精巧化等要求。

晶體院從分析晶體結(jié)構(gòu)入手，確定晶體導(dǎo)電的本質(zhì)和影響因素，選擇合適的晶體生長體系，解決了晶體電阻率問題。通過研究晶體導(dǎo)電機(jī)理，確定導(dǎo)致高電導(dǎo)率的本質(zhì)問題和影響因素，并優(yōu)化生長技術(shù)工藝、采用激光實(shí)時(shí)在線封裝，一舉解決了RTP晶體電阻率、均勻性、單疇性等電光性能調(diào)控耦合技術(shù)、器件設(shè)計(jì)與裝配等“卡脖子”難題。

03打造產(chǎn)業(yè)鏈

在核心技術(shù)必須自主可控的大趨勢下，人工晶體的不可或缺性日益凸顯。

在國內(nèi)，晶體院已是涵蓋人工晶體種類最齊全的單位，若深究晶體院的自身優(yōu)勢，則大體可分為四點(diǎn)：

一是晶體院自建院至今，始終專注于人工晶體材料與器件的研究與開發(fā)。在幾代人的共同努力下，晶體院始終位于人工晶體技術(shù)的最前沿，引領(lǐng)著行業(yè)的發(fā)展方向。

二是業(yè)已形成的功能晶體材料、紅外光學(xué)材料、微納晶材料三大優(yōu)勢領(lǐng)域。

三是晶體院為全國人工晶體標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)和人工晶體北京市工程實(shí)驗(yàn)室掛靠單位，承擔(dān)著《人工晶體學(xué)報(bào)》和《硅酸鹽通報(bào)》兩本專業(yè)核心期刊的出版發(fā)行工作。其中，《人工晶體學(xué)報(bào)》在人工晶體領(lǐng)域具有舉足輕重的地位和影響力。這都是行業(yè)內(nèi)不可多得的優(yōu)勢資源，為晶體院成為行業(yè)服務(wù)者、提供學(xué)術(shù)交流和科技成果轉(zhuǎn)化、孵化提供了重要平臺(tái)。

四是晶體院雙創(chuàng)基地的創(chuàng)新優(yōu)勢。創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)和市場化導(dǎo)向是晶體院歷來所堅(jiān)持的，為此搭建了“研究院+產(chǎn)業(yè)園區(qū)+基金+創(chuàng)業(yè)公司”四位一體發(fā)展路徑，探索科技成果轉(zhuǎn)化新模式，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈上下游，聯(lián)合山東大學(xué)在濟(jì)南章丘建設(shè)人工晶體材料及器件產(chǎn)業(yè)化基地和雙創(chuàng)基地，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)的核心競爭力，帶動(dòng)行業(yè)整體制造水平的提高。通過積極尋找市場上有潛力、符合晶體產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向、有能力的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)和創(chuàng)業(yè)公司，引進(jìn)到山東濟(jì)南產(chǎn)業(yè)基地，為其提供平臺(tái)和資源支持，通過共享開放平臺(tái)引入高端人才為晶體院所用，實(shí)現(xiàn)晶體院與專業(yè)人才共同發(fā)展。

作為市場的引領(lǐng)者，晶體院圍繞產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈、圍繞創(chuàng)新鏈布局產(chǎn)業(yè)鏈，通過產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈尋找價(jià)值鏈。

為此，晶體院梳理了人造水晶、金剛石、閃爍晶體等6個(gè)晶體產(chǎn)業(yè)鏈條，組織開展項(xiàng)目路演、成果發(fā)布等吸引金融資本和社會(huì)資本，向優(yōu)質(zhì)新材料科技成果轉(zhuǎn)化集聚，打通成果轉(zhuǎn)化的“死亡谷”。

晶體院在科技成果轉(zhuǎn)化方面進(jìn)行大膽嘗試和探索，以耐熱微晶材料、金剛石制品兩個(gè)技術(shù)為突破口，以技術(shù)服務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)對外成果轉(zhuǎn)化，走出了科技成果轉(zhuǎn)化的第一步，為企業(yè)創(chuàng)造了價(jià)值。

微晶材料通過技術(shù)轉(zhuǎn)化，開發(fā)出以微晶鍋、微晶內(nèi)膽、電磁爐面板為代表的微晶炊具廚具和手機(jī)背板等多項(xiàng)民用產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了微晶材料在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。

剛硬、透明、受熱不漲、遇冷不縮、表面光滑是微晶炊具廚具的特點(diǎn)。以微晶鍋為例，它適用于明火、電爐、烤爐、微波爐。在消費(fèi)升級的大趨勢之下，微晶透明炊具廚具的市場需求進(jìn)一步擴(kuò)大。微晶材料還具有高透光性、高硬度、高耐磨性、良好的熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性、極低的電磁波傳輸衰減性能等特點(diǎn)，可用于手機(jī)組件，由前蓋板觸摸屏、顯示器到后蓋板，使得手機(jī)抗摔能力提高、強(qiáng)韌程度增大。

2020年，晶體院以技術(shù)入股方式與民營企業(yè)合作，成立合資公司，發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同開發(fā)民用市場。目前樣品獲得客戶認(rèn)可，正開展生產(chǎn)線建設(shè)工作，虎石公司與小家電企業(yè)美的已簽訂100萬只產(chǎn)品訂單。

高精密類金剛石涂層技術(shù)成果在高頻PCB板加工刀具上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，并向深圳某企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)，使得5G通信用基礎(chǔ)材料升級后產(chǎn)生的加工問題得到解決。目前，晶體院就金剛石及類金剛石涂層工具及其制品的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化已與深圳市一家企業(yè)簽訂了技術(shù)咨詢服務(wù)合同，開發(fā)出適用于高頻PCB板加工的高精度DLC膜硬質(zhì)合金工具，產(chǎn)品已經(jīng)為華為等主要手機(jī)客戶服務(wù)。

金剛石便攜消殺儀 

金剛石膜是晶體院的傳統(tǒng)產(chǎn)品，如果在生長時(shí)摻雜適量的硼元素，成品就會(huì)變成導(dǎo)電的電極（簡稱BDD），在日用消毒殺菌、工業(yè)污水處理等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。摻硼金剛石電極具有較高的析氧過電位，通過電極反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)化性的羥基自由基，能有效降解有機(jī)污染物，適用于有毒、難降解的超高濃度有機(jī)污染物廢水的電化學(xué)處理，如印刷電路板廢液回用、醫(yī)院污水消毒和垃圾滲透液的處理等。同時(shí)它的耐腐蝕、無污染、背景電流幾乎為零、能耗低等諸多性能優(yōu)勢，使其成為極佳的電化學(xué)電極材料。

在后疫情時(shí)代，市場對消殺產(chǎn)品的需求也將保持在高位。而金剛石電極制臭氧是國際公認(rèn)的先進(jìn)消殺手段，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)消殺方式引起的環(huán)境污染、易燃易爆、效果不佳等短板，避免高壓放電制臭氧產(chǎn)生的NOx二次污染問題，是當(dāng)前消殺領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，滅殺率可達(dá)99.999%，為日常生活、醫(yī)療、養(yǎng)殖、工業(yè)凈水等行業(yè)提供高效簡便的消毒殺菌處理。

目前，晶體院抓住了市場機(jī)會(huì)組建團(tuán)隊(duì)，利用金剛石膜技術(shù)積累，以提供技術(shù)服務(wù)的形式對外轉(zhuǎn)化，現(xiàn)階段已經(jīng)開發(fā)出便攜式金剛石消殺儀，打通了材料、器件到產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈條。

2022年是“十四五”的開局之年。在此期間，晶體院將實(shí)現(xiàn)CVDZnS材料規(guī)?；慨a(chǎn)，同時(shí)將深加工、鍍膜等產(chǎn)業(yè)鏈條延伸，提高產(chǎn)品附加值，建成集材料制備、成型加工、鍍膜于一體的紅外產(chǎn)業(yè)基地。也將面向高分衛(wèi)星對于大口徑微晶材料的需求，完成2米口徑微晶材料生產(chǎn)線的建設(shè)，突破3米以上更大口徑微晶材料關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步縮小與國際最高水平差距，實(shí)現(xiàn)反射鏡用微晶材料全面進(jìn)口替代。

在紅外光學(xué)材料方面，晶體院圍繞服務(wù)國防建設(shè)，加強(qiáng)裝備配套能力，提高加工、鍍膜技術(shù)。對熱壓多晶紅外光學(xué)材料、CVD 硫化鋅、CVD硒化鋅、鎂鋁尖晶石、大尺寸藍(lán)寶石等材料業(yè)務(wù)進(jìn)行一體化整合，具備“原料—制備—加工—鍍膜”一體化生產(chǎn)能力，致力于打造國內(nèi)規(guī)模最大，制備方法最全、覆蓋全波段的產(chǎn)品生產(chǎn)線。

在微納晶材料方面，晶體院不僅抓住市場的發(fā)展機(jī)遇，建設(shè)尺寸 2~3 米微納晶生產(chǎn)線，力爭成為中國第一。并且以用戶為牽引，依托自身在材料方面的優(yōu)勢與產(chǎn)業(yè)鏈中下游加工制造企業(yè)開展合作，適時(shí)開展并購，快速做大做強(qiáng)，切實(shí)打造“專精特新”人工晶體科技創(chuàng)新平臺(tái)。同時(shí)在民用市場方面開發(fā)電飯鍋內(nèi)膽、直燒鍋等微晶炊具廚具和微納晶手機(jī)面板背板等市場。