超硬材料有哪些發(fā)展前景？

超硬材料是一門高新技術(shù)，而且它的研制成功對整個國民經(jīng)濟將產(chǎn)生深遠的影響,，是一

項新的產(chǎn)業(yè)化革命，被廣泛應(yīng)用于諸多行業(yè),。超硬材料制品將朝系列化,、標準化、專業(yè)化,、

高品質(zhì),、多元化方向發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)將形成自己的產(chǎn)品特色和市場定位,。我國是超硬材料

生產(chǎn)大國,，而不是強國，怎樣把超硬材料產(chǎn)業(yè)大國構(gòu)建為強國,，乃是全行業(yè)今后奮斗的目標

和方向,。近年來,，超硬材料行業(yè)得到了政策的大力支持,，是―十二五‖規(guī)劃中被列為重點發(fā)展的行業(yè),。目前全國金剛石行業(yè)已形成了以深入研究新工藝為特征的新高潮，專業(yè)化,、精細化生

產(chǎn)特殊產(chǎn)品的企業(yè)比例明顯增加,，因此金剛石行業(yè)的競爭將更為激烈，需全面迎接挑戰(zhàn)并且

走自主創(chuàng)新與跨越式發(fā)展之路,。

縱觀國外高精度金剛石刀具制造的成功案例,，技術(shù)方案是機械刃磨技術(shù)。但是以我國目

前現(xiàn)有的機械刃磨技術(shù)來制造高精度金剛石刀具,，仍存在一些技術(shù)難題,。

超硬刀具材料 的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

硬材料是一種重要的工程材料，通常是指硬度達到莫氏硬度zui高值 10 或接近 10 的材料,，

主要應(yīng)用于復(fù)合材料,、無機非金屬材料、硬質(zhì)合金的加工[1-2],。此外,，某些超硬材料在光學(xué)、

電學(xué),、熱學(xué)方面也具有一些特殊性能,，而成為一種重要的功能材料。目前常見的超硬材料有

金剛石（天然金剛石和人造金剛石）,、立方氮化硼等,。超硬材料通常由超硬材料顆粒與結(jié)合劑

組成。超硬材料的性能與結(jié)合劑的性能緊密相關(guān),，選擇或者合成高性能的結(jié)合劑,，對于超硬

材料的制備與應(yīng)用具有重大意義。超硬材料盡管物質(zhì)成分,、構(gòu)成較少,，但制品種類繁多，用

途非常廣泛[3],。我國超硬材料發(fā)展到今天已經(jīng)走過近 50 年歷史,。近半個世紀以來，中國超硬

材料制品無論在產(chǎn)品還是技術(shù)的層面,，都取得了巨大的進步,，并且呈現(xiàn)出傳統(tǒng)產(chǎn)品穩(wěn)步發(fā)展

不淘汰，新一代高附加值產(chǎn)品不斷突破的局面,。

超硬材料有哪些發(fā)展前景,？

典型超硬材料研究現(xiàn)狀

1  天然金剛石

天然金剛石是在地殼深處結(jié)晶形成的，存在于地表下深度為 100~300km 的金伯利巖中,。

zui適宜的結(jié)晶條件是壓力 5~7GPa,，溫度 1200~1800℃,。天然金剛石*按結(jié)晶學(xué)定律生長，

巖漿在深部時,，溫度,、壓力皆高。此時,，天然金剛石*按結(jié)晶學(xué)定律生長,，以硅為結(jié)晶基

底,活化碳沉積形成晶胞,逐漸擴大,為反核晶,有時可長成厚板狀。天然金剛石分為寶石級（鉆

石）和工業(yè)級,。天然金剛石zui早在印度發(fā)現(xiàn),，后來主要產(chǎn)地是南非和俄羅斯的西伯利亞。我

國是天然金剛石極為匱乏的國家,，僅在山東(含蘇北),、遼寧發(fā)現(xiàn)了小型天然金剛石原生礦，在

湖南發(fā)現(xiàn)了小型河流沖積型金剛石礦床,，但這些遠遠滿足不了高速發(fā)展的工業(yè)需要,。圖 1 所

示為我國發(fā)現(xiàn)的zui大天然金剛石。

天然金剛石晶體是各向異性特征明顯的材料,，用 X 射線從不同角度照射晶體表面會出現(xiàn)

不同的衍射圖案,，而根據(jù)不同晶面的特征圖案即可選擇合適的晶面。許多學(xué)者對晶面的預(yù)選

法進行了研究：Decker 等提出了 X 射線預(yù)選晶面的方法,，并采用掃描和透射電子顯微鏡對刀

具質(zhì)量和使用進行跟蹤,、對比[4]。袁哲俊等亦提出了近似原理的天然金剛石晶體的激光晶面

定向方法[2],。Ikawa 等提出基于赫茲壓痕試驗并結(jié)合紅外吸收（infrared absorption,，IRA）和

電子自旋共振技術(shù)（electron spinesonance，ESR）來篩選天然金剛石晶體,，他們認為 IRA 和

ESR 值越小,，金剛石晶體表面的壓痕微硬度越高，刀具耐磨損性能也越佳[5-6],。利用上述晶

面預(yù)選法,，有學(xué)者又進一步提出了基于摩擦系數(shù)的晶面優(yōu)選法[7]和基于切削試驗的逆向優(yōu)選

晶面方法[8-10]。宗文俊等提出了基于天然金剛石晶體動態(tài)微觀抗拉強度的晶面篩選方法,，并

建立了刀具耐磨損性能的各向異性評價因子[11],。宗文俊等提出了基于納米氧化銅的天然

金剛石晶體真空熱化學(xué)腐蝕原創(chuàng)工藝[12]。

天然金剛石晶體以硬度高,、耐磨損,、化學(xué)惰性良好等特性而廣泛用作超精密切削加工的

刀具材料。因此天然金剛石刀具的刃磨技術(shù)一直是研究的熱點。經(jīng)過多年的研究,，已有很多

種刃磨方法被提出[12],。孫濤等在突破機械研磨技術(shù) 70~80nm 的精度極限方面，對天然金剛石

刀具的機械研磨技術(shù)進行了深入研究[13],；日本學(xué)者 Miyamoto 等于 1990 年提出了離子束拋光

加工天然金剛石刀具的方法[10],，不僅提高了天然金剛石刀具的刃磨精度,，而且將其用于超精

密車削軟材料,，同時利用 SEM （Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）測量,；美

國學(xué)者 Frederick 等于 1990 年提出了化學(xué)拋光制造天然金剛石刀具[14],；1992 年，日本學(xué)者

Haisma 提出了無損傷機械化學(xué)拋光法[15],；德國學(xué)者 Kühnle 和 Weis 提出了化學(xué)輔助機械拋

光加工方法[16],；Zaitsev 等提出用熱化學(xué)方法拋光加工金剛石晶體[17]，隨后該方法被 Weima

等用于金剛石刀具的刃磨[18],；另外 Malshe 等提出的激光刻蝕等加工方法[19],，但是激光刻蝕

精度不高，目前在業(yè)內(nèi)用于金剛石刀具粗加工,。我國當前廣泛采用機械刃磨技術(shù)來制造天然

金剛石刀具,。

為了給天然金剛石刀具的使用壽命延長提供一種全新的技術(shù)方法，目前已經(jīng)提出了基于

納米氧化銅的真空熱化學(xué)腐蝕新工藝,，用于后處理機械刃磨工藝加工的天然金剛石晶體,。

2  人造金剛石

人造金剛石的很多研究工作始于天然金剛石。人造金剛石產(chǎn)品可按照晶形,、顏色,、粒度、

沖擊強度,、高溫強度等多項指標進行分級,。晶形完整、色淺透明,、粒徑較大,、強度較高者，

稱為高品級產(chǎn)品,。人造金剛石包括：寶石級大單晶,、工業(yè)用單晶金剛石、燒結(jié)體,、復(fù)合體,、

人造卡邦、金剛石微粉、金剛石薄膜,、納米級金剛石,。

工業(yè)生產(chǎn)金剛石的主要方法是利用石墨為原料，鎳鈷等觸媒金屬為催化劑,，在大約 5GPa

和 1700K 的高溫高壓條件下將石墨轉(zhuǎn)化生成金剛石,，如圖 2 所示。SDA 和 DSN 系列產(chǎn)品是馳

名中外的人造金剛石高品級產(chǎn)品的代表,。

2011 年中國人造金剛石產(chǎn)量為 110 億 ct,，占總產(chǎn)量的 90%，已是金剛石大國,，并且

正在向金剛石強國邁進,。1963 年 11 月，我國*顆人造金剛石誕生,；美國 G. E. Co 公司在全

球來說都是一個生產(chǎn)人造金剛石實力*的大公司,，而且擁有金剛石發(fā)明權(quán)，但在 2003 年 12

月已被 Littlejohn & Co（LLC）股份投資公司所收購 （新公司 Diamond Innovations 簡稱為 D. I.

Co.）,。英-南非 De Beers 的建立和發(fā)展起源于在南非開采出天然金剛石,，而后成為的一霸。

后來由于美國發(fā)明了人造金剛石,，為了鞏固其金剛石行業(yè)的壟斷地位則大量發(fā)展了人造金剛

石,，在前幾年已曾經(jīng)進行了資產(chǎn)改組，現(xiàn)簡稱為六元素公司,。業(yè)內(nèi)人士多數(shù)認為 2003~2004

年中國人造金剛石生產(chǎn)能力已可達 40~50 億 ct 且生產(chǎn)量約為 35 億 ct 左右,。

制造中國的高品質(zhì)人造金剛石是很多超硬材料專家為之奮斗一生的事業(yè)，特別是在探礦

工程界,，從 20 世紀 60~70 年代開始就為―粗顆粒高強度‖而拼搏著,。經(jīng)過幾代人的努力，到了

21 世紀初,，已經(jīng)有了快速發(fā)展,。我國利用國產(chǎn)六面頂壓機生產(chǎn)金剛石的技術(shù)難關(guān)已經(jīng)突

破，金剛石單晶產(chǎn)品達到了國外產(chǎn)品水平(指高品質(zhì)生產(chǎn)工藝的指標,，從 2003 年不足 10%

提高到 2004 年的 40%以上或更高),，因此今后將會是對其技術(shù)的提高和完善以及普及和應(yīng)用階

段。所以說近期是金剛石單晶技術(shù)全面提升的新時期,。

3  立方氮化硼

很長一段時間里,，立方氮化硼被認為在自然界不存在，直至 2009 年,，美國加州大學(xué)河濱

分校勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學(xué)家和來自中國,、德國科研機構(gòu)的同行一起,，在中國青

藏高原南部山區(qū)地下約 306km 深處古海洋地殼的富鉻巖內(nèi)找到了這種礦物，其在大約 1300℃

高溫,、118430 個大氣壓的高壓條件下形成了晶體,。該團隊以中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所教授

方青松的名字將新礦物命名為 qingsongite（后綴 ite 表示礦物）。礦物學(xué)協(xié)會在 2013 年 8

月正式承認了這是一種新的礦物——立方氮化硼,。其原子結(jié)構(gòu)與金剛石中的碳原子結(jié)構(gòu)類似,，

因此它具有高密度的特性,硬度可媲美鉆石，常被用作磨料和刀具材料,。

超硬材料有哪些發(fā)展前景,？

立方氮化硼的*性能[20]主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）化學(xué)惰性優(yōu)于金剛石：立方氮化硼的硬度僅次于金剛石,，但其化學(xué)惰性更優(yōu)于金剛

石,，它不與鐵族金屬及其合金反應(yīng),，而且抗氧化性能比金剛石好得多,。

（2）更耐高溫。

（3）轉(zhuǎn)化率更高,，成本更低,，性能更優(yōu)。

（4）更不受面積,、形狀和尺寸影響,。

針對立方氮化硼的這一*特性，目前已經(jīng)有許多學(xué)者對其進行了研究,。梁寶巖等[21]

采用 Al/C/TiO2/CBN（各組粉體中,，CBN 質(zhì)量分數(shù)均為 10%）粉體為原料，通過原位反應(yīng)燒

結(jié)技術(shù),，制備 Al/TiC/Al2O3 金屬陶瓷復(fù)合結(jié)合劑立方氮化硼（CBN）材料,。2004 年 Benko 等

以磨料級立方氮化硼（ABN-300）和 Ti3SiC2 為原料，在 7GPa 的高壓下制備 Ti3SiC2-立方氮

化硼（CBN）復(fù)合材料,，并且研究這種新型超硬復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能[2],。

目前立方氮化硼磨具[21]廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、石材,、機械,、汽車及國防工業(yè)等各個領(lǐng)域，

產(chǎn)品已形成系列化,，品種規(guī)格比較齊全,。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優(yōu)異，不僅能勝任

難磨材料的加工,，提高生產(chǎn)率,，且有利于嚴格控制工件的形狀和尺寸精度,，還能有效地提高

工件的磨削質(zhì)量，顯著提高磨后工件的表面完整性,，因而提高了零件的疲勞強度,，延長了使

用壽命，增加了可靠性,，再加上立方氮化硼磨料生產(chǎn)過程在能源消耗和環(huán)境污染方面比普通

磨料生產(chǎn)更少,，所以，擴大立方氮化硼磨具的生產(chǎn)和應(yīng)用是機械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢,。

超硬材料的應(yīng)用范圍

金剛石的硬度更高,，其他性能也較為優(yōu)異。它可以加工各種難加工材料和非難加工材料,，

因為金剛石刀具的切削刃可以加工得很鋒利,切削刃鈍圓半徑能達納米級,因此特別適用于對

有色金屬進行超精密切削加工,。金剛石刀具能切削純鎢、工程陶瓷,、硬質(zhì)合金,、工業(yè)玻璃、

石墨與各種塑料以及各種復(fù)合材料,。金剛石還可用于制作牙科,、骨科所用醫(yī)療器械工具，以

及用于木材,、石材加工的刀具和工具,。金剛石和立方氮化硼單晶粉大量用于制作磨料、磨具,、

磨膏,、砂布、砂紙等,。金剛石還大量用于制作拉絲模,、砂輪修正器和石油、地礦部門的鉆探

鉆頭,還可用于制作各種耐磨件,。

立方氮化硼有著高硬度,、高熱穩(wěn)定性的特點,切削各種淬硬鋼,包括合金工具鋼、碳

素工具鋼,、高速鋼,、軸承鋼、模具鋼等和各種冷硬鑄鐵還有耐磨鑄鐵,，以及各種鐵基,、鎳基、

鈷基和其他熱噴涂零件,。大部分能用金剛石刀具切削的難加工材料,，如硬質(zhì)合金,、陶瓷、玻

璃,、復(fù)合材料等,，用立方氮化硼刀具也可加工，但立方氮化硼刀具的使用壽命低于金剛石刀

具,。立方氮化硼刀具熱穩(wěn)定性高,，高速切削硬質(zhì)材料時金屬有軟化效應(yīng)，適合高速干式切削,。

典型超硬材料制品

由金剛石的自身特性決定,，金剛石刀具的主要特點有高硬度、耐磨損,、低膨脹系數(shù),、高

導(dǎo)熱率、大彈性模量,、低摩擦因數(shù),、極小刀刃鈍圓半徑和平滑刃口等。高精度天然金剛石刀

具主要包括金剛石車刀和金剛石銑刀,，廣泛用于毫米級,、微米到亞微米,、甚至納米級的超精

密加工,。

聚晶金剛石（PCD）是由微米尺寸的人造金剛石微粉在高溫高壓條件下燒結(jié)而成。自人造

金剛石研制成功以來,，對聚晶金剛石（PCD）刀具切削性能的研究取得了大量成果,，PCD 刀

具的應(yīng)用范圍及使用量迅速擴大。目前,，上的人造金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國

De Beers 公司,、美國 GE 公司、日本住友電工株式會社等,。據(jù)報道,，1995 年一季度僅日本的

PCD 刀具產(chǎn)量即達 10.7 萬把。PCD 刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削,、銑削加工擴

展,。日本一家組織進行的關(guān)于超硬刀具的調(diào)查表明：人們選用 PCD 刀具的主要考慮因素是基

于 PCD 刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具壽命等優(yōu)勢,。金剛石復(fù)合片合成技術(shù)也得到

了較大發(fā)展,，De Beers 公司已推出了直徑 74mm、層厚 0.3mm 的聚晶金剛石復(fù)合片,。

通過對近年來 PCD 刀具應(yīng)用的分析可見,，PCD 刀具主要應(yīng)用于以下 2 方面[1],。

（1）難加工有色金屬材料的加工：用普通刀具加工難加工有色金屬材料時，往往產(chǎn)生刀

具易磨損,、加工效率低等缺陷,，而 PCD 刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用 PCD 刀具可有

效加工新型發(fā)動機活塞材料——過共晶硅鋁合金（對該材料加工機理的研究已取得突破）,。

（2）難加工非金屬材料的加工：PCD 刀具非常適合對石材,、硬質(zhì)碳、碳纖維增強塑料

（CFRP）,、人造板材等難加工非金屬材料的加工,。如華中理工大學(xué) 1990 年實現(xiàn)了用 PCD 刀具

加工玻璃；目前強化復(fù)合地板及其他木基板材（如 MDF）的應(yīng)用日趨廣泛,，用 PCD 刀具加工

這些材料可有效避免刀具易磨損等缺陷,。

人造金剛石滾輪[22]的研制成功推動了緩進給磨削的發(fā)展?？荡好返?/span>[22]研究了天然金剛

石滾輪制造與修整問題,。然而，就其人造金剛石滾輪的應(yīng)用范圍,、使用壽命,、生產(chǎn)效率而言，

它有很多不足之處,。而天然金剛石滾輪是成型修整工具的發(fā)展方向,，在許多方面都優(yōu)于人造

金剛石滾輪。

目前國內(nèi)外采用 3 種制造金剛石滾輪的方法,，即外鍍法,、粉末冶金燒結(jié)法、內(nèi)鍍法,。為

了發(fā)展金剛石滾輪的科研成果和進一步增加經(jīng)濟效益,，提出研制天然金剛石滾輪課題。

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