超硬材料金剛石

超硬材料天然

金剛石，也稱(chēng)鉆石，有天然金剛石和人造金剛石兩種。金剛石是世界上已知的最硬工業(yè)材料，它不僅具有硬度高、耐磨、熱穩(wěn)定性能好等特性，而且以其優(yōu)秀的抗壓強(qiáng)度、散熱速率、傳聲速率、電流阻抗、防蝕能力、透光、低熱脹率等物理性能，成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不可替代的新材料，現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的瑰寶。

超硬材料人造

人造金剛石是加工業(yè)最硬的磨料，電子工業(yè)最有效的散熱材料，半導(dǎo)體最好的晶片，通訊元器件最高頻的濾波器，音響最傳真的振動(dòng)膜，機(jī)件最穩(wěn)定的抗蝕層等等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于冶金、石油鉆探、建筑工程、機(jī)械加工、儀器儀表、電子工業(yè)、航空航天以及現(xiàn)代尖端科學(xué)領(lǐng)域。

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，隨著下游應(yīng)用市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，復(fù)合超硬材料下游需求呈現(xiàn)較快增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)超硬材料與制品產(chǎn)值大約在1:3-1:6之間，隨著下游復(fù)合超硬材料制品市場(chǎng)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，復(fù)合超硬材料的市場(chǎng)需求隨之?dāng)U大，其中高品級(jí)金剛石的市場(chǎng)需求占整個(gè)市場(chǎng)的比例大約為60-70%。

首先，石油/天然氣鉆頭用PCD復(fù)合片的市場(chǎng)容量和需求主要由下游油氣鉆頭市場(chǎng)需求量決定，而油氣鉆頭需求量主要由油氣市場(chǎng)需求和油氣開(kāi)采企業(yè)開(kāi)采計(jì)劃決定。2009年我國(guó)石油產(chǎn)量為18,949萬(wàn)噸，消費(fèi)量卻高達(dá)38,384.5萬(wàn)噸，石油對(duì)外依賴(lài)性強(qiáng)?！吨腥A人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》中明確指出要加大石油勘探開(kāi)發(fā)力度，穩(wěn)定國(guó)內(nèi)石油產(chǎn)量。

另一方面，中國(guó)天然氣產(chǎn)量和消費(fèi)量總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。數(shù)據(jù)顯示，2005年到2011年我國(guó)天然氣產(chǎn)量一直呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)趨勢(shì)。2011年我國(guó)天然氣產(chǎn)量增長(zhǎng)迅猛，產(chǎn)量占全球天然氣總產(chǎn)量的3.1%，達(dá)到1,025億立方米，同比增長(zhǎng)8.12%。

隨著我國(guó)油氣產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)，對(duì)于油氣用金剛石復(fù)合片的需求量也表現(xiàn)出旺盛的需求。油氣用PCD復(fù)合片全球市場(chǎng)規(guī)模約為110億元人民幣，我國(guó)市場(chǎng)空間大約為14億元人民幣，發(fā)展?jié)摿薮蟆?

根據(jù)美國(guó)能源署（EIA）公布的《2011年全球頁(yè)巖氣資源初步評(píng)估》報(bào)告，中國(guó)是全球頁(yè)巖氣儲(chǔ)量最多的國(guó)家，可采儲(chǔ)量約為36.1萬(wàn)億立方米，遠(yuǎn)高于世界其他國(guó)家。進(jìn)入“十二五”，我國(guó)將頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)作為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要發(fā)展領(lǐng)域之一，在《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》中指出“退佃煤層氣、頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)利用”，在《頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011-2015年）》明確目標(biāo)要“力爭(zhēng)到2020年產(chǎn)量達(dá)到600-1,000億立方米”。所以，隨著頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)利用的深入，油氣用PCD復(fù)合片必將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。

其次，煤田/礦山工具用PCD復(fù)合片的市場(chǎng)需求主要受煤炭的開(kāi)采量影響。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國(guó)從1990年到2009年煤炭的產(chǎn)量和消費(fèi)量都呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，產(chǎn)消基本平衡。2011年我國(guó)原煤總產(chǎn)量達(dá)到35.2億噸，同比增加8.7%。在煤炭產(chǎn)量的不斷帶動(dòng)下我國(guó)礦用金剛石復(fù)合片市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，礦山用復(fù)合片全球市場(chǎng)規(guī)模近200億元，中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模約為20億元。

再次，PCD高品級(jí)拉絲模胚受線(xiàn)材在工業(yè)生產(chǎn)和工程建設(shè)中需求量巨大的帶動(dòng)，市場(chǎng)容量可觀，但由于PCD 拉絲模坯的生產(chǎn)成本和售價(jià)較高，有部分對(duì)拉絲效果、精度要求較高的終端用戶(hù)選用PCD 拉絲模坯，市場(chǎng)容量有待進(jìn)一步擴(kuò)大。

2013年1月17日《自然》雜志發(fā)表燕山大學(xué)多晶超硬材料合成技術(shù)突破性成果，燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組在國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目以及科技部973項(xiàng)目的持續(xù)資助下，與國(guó)內(nèi)外科學(xué)家合作，在多晶超硬材料合成技術(shù)和超硬材料硬化機(jī)理研究方面取得突破性進(jìn)展。利用高溫高壓技術(shù)成功地合成出超高硬度的納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼塊材，提出了材料硬化新機(jī)制。其研究成果發(fā)表在2013年1月17日最新一期的Nature雜志上。優(yōu)異的綜合性能表明納米孿晶結(jié)構(gòu)立方氮化硼是一種工業(yè)界期盼已久的刀具材料。這一研究成果向人們展現(xiàn)了合成高性能超硬材料的新途徑——— 獲得超細(xì)納米孿晶結(jié)構(gòu)。

中國(guó)材料科學(xué)家燕山大學(xué)田永君教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與吉林大學(xué)馬琰銘教授和美國(guó)芝加哥大學(xué)王雁賓教授合作，繼2013年合成出極硬納米孿晶立方氮化硼之后再次取得突破，在高溫高壓下成功地合成出硬度兩倍于天然金剛石的納米孿晶結(jié)構(gòu)金剛石塊材。研究成果發(fā)表在2014年6月12日的Nature雜志上。

超硬材料主要是指金剛石和立方氮化硼。金剛石（英文：Diamond）是已知的世界上最硬的物質(zhì),另外C60的硬度可能不亞于金剛石，但尚未定論。立方氮化硼硬度僅次于金剛石。這兩種超硬材料的硬度都遠(yuǎn)高于其它材料的硬度，包括磨具材料剛玉、碳化硅以及刀具材料硬質(zhì)合金、高速鋼等硬質(zhì)工具材料。

因此，超硬材料適于用來(lái)制造加工其它材料的工具，尤其是在加工硬質(zhì)材料方面，具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，占有不可替代的重要地位。止因如此，超硬材料在工業(yè)上獲得了廣泛應(yīng)用。除了用來(lái)制造工具之外，超硬材料在光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)方面具有一些特殊性能，是一種重要的功能材料，引起了人們的高度重視，這方面的性能和用途正在不斷地得到研究開(kāi)發(fā)。

立方氮化硼，英文稱(chēng)為:：Cubic Boron Nitride，縮寫(xiě)為：CBN或cBN。是人工合成的一種超硬材料。

立方氮化硼（CBN）是硬度僅次于金剛石的超硬材料。它不但具有金剛石的許多優(yōu)良特性，而且有更高的熱穩(wěn)定性和對(duì)鐵族金屬及其合金的化學(xué)惰性。它作為工程材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于黑色金屬及其合金材料加工工業(yè)。同時(shí)，它又以其優(yōu)異的熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)等性能，在一系列高科技領(lǐng)域得到應(yīng)用，成為一種具有發(fā)展前景的功能材料。

立方氮化硼微粉，用在精密磨削、研磨、拋光和超精加工，以達(dá)到高精度的加工表面。適用于樹(shù)脂、金屬、陶瓷等結(jié)合劑體系，亦可用于生產(chǎn)聚晶復(fù)合片燒結(jié)體，還可用做松散磨粒、研磨膏。

CBN由于具有優(yōu)異的化學(xué)物理性能，如具有僅次于金剛石的高硬度、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，作為超硬磨料在不同行業(yè)的加工領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，汽車(chē)、航天航空、機(jī)械電子、微電子等工業(yè)不可或缺的重要材料，也得到各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的極大重視。

合成CBN除靜高壓觸媒法還有多種方法，如靜高壓直接轉(zhuǎn)化法、動(dòng)態(tài)沖擊法、氣相沉積法等，其中有些方法如氣相沉積法發(fā)展很快。但迄今為止工業(yè)合成CBN主要方法還是靜高壓觸媒法，CBN的合成研究也主要集中于這方面。

超硬材料刀具

立方氮化硼聚晶（PCBN）刀具是由許多細(xì)晶粒（0.1~100）CBN聚結(jié)而成的CBN聚集體的一類(lèi)超硬材料產(chǎn)品。它除了具有高硬度、高耐磨性外，還具有高韌性、化學(xué)惰性、紅硬性等特點(diǎn)，并可用金剛石砂輪開(kāi)刃修磨。在切削加工的各個(gè)方面都表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能，能夠在高溫下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定切削，特別適合加工各種淬火鋼、工具鋼、冷硬鑄鐵等難加工材料。刀具切削鋒利、保形性好、耐磨性能高、單位磨損量小、修正次數(shù)少、利于自動(dòng)加工，適用于從粗加工到精加工的所有切削加工。PCBN在數(shù)控切削行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，是一種具有良好發(fā)展前景的刀具材料。

超硬材料人造金剛石

人造金剛石聚晶（PCD）復(fù)合片是在高溫高壓情況下由許多細(xì)晶粒金剛石和硬質(zhì)合金襯底聯(lián)合燒結(jié)而成的塊狀聚結(jié)體。它和PCBN一樣具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、特別是具有高的抗沖擊韌性。作為加工工具，PCD主要用于石油、冶金、地質(zhì)鉆頭、擴(kuò)孔器等，其鉆進(jìn)速度及時(shí)效均為天然金剛石的許多倍，同時(shí)鉆進(jìn)過(guò)程中還可以有效保持孔徑。人造金剛石復(fù)合片還可以用來(lái)切削非鐵金屬及其合金、硬質(zhì)合金以及非金屬材料。切削速度為硬質(zhì)合金刀具的上百倍，耐用度為硬質(zhì)合金的上千倍。

《超硬材料工具設(shè)計(jì)與制造》主要介紹超硬材料工具的設(shè)計(jì)與制造，金剛石工具設(shè)計(jì)原理，刀頭燒結(jié)高頻焊接圓鋸片，激光焊接金剛石圓鋸片，整體冷壓燒結(jié)金剛石圓鋸片，焊接金剛石薄壁工程鉆頭，孕鑲金剛石地質(zhì)取芯鉆頭，金剛石串珠繩鋸，超硬材料涂附磨具，超硬材料固結(jié)磨具，高溫釬焊超硬材料工具，晶體加工用金剛石工具等。本書(shū)可供超硬材料專(zhuān)業(yè)的科研和生產(chǎn)工作人員使用，也可供大專(zhuān)院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的師生參考。

鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“新亞公司”）成立于1990年，是專(zhuān)業(yè)從事金剛石復(fù)合超硬材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售的高新技術(shù)企業(yè)，是超硬材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定者。

新亞公司的主要產(chǎn)品有金剛石復(fù)合片、金剛石拉絲模坯料等復(fù)合多晶人造金剛石超硬材料制品。

鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司是河南省創(chuàng)新型試點(diǎn)企業(yè)。證明材料來(lái)自河南科技網(wǎng)。

烏克蘭超硬材料研究所研制的一種類(lèi)似人造金剛石聚晶體的超硬材料鉆頭切削具。其硬度和耐磨性接近于天然金剛石，幾何形狀有圓柱體和片狀兩種。