超硬材料切削具人造金剛石復(fù)合片

用高溫、高壓技術(shù)，將細(xì)粒人造金剛石單晶，二次合成為0.3～0.8mm厚的人造金剛石聚晶薄片，焊接在硬質(zhì)合金底襯上，或者用高溫、高壓技術(shù)，將細(xì)粒人造金剛石單晶與硬質(zhì)合金基體直接粘結(jié)在一起制成的鉆頭切削具。復(fù)合片多為圓形，也可用線切割的方法或直接合成所需要的其它幾何形狀。

將人造金剛石單晶與金屬粘結(jié)劑按一定比例混合，在高溫、高壓下二次合成的金剛石聚晶體鉆頭切削具。其熱穩(wěn)定性高于人造單晶金剛石。中國(guó)生產(chǎn)的聚晶，磨削比在3～5萬之間，幾何形狀有圓柱狀和三棱柱狀等。

烏克蘭超硬材料研究所研制的一種類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。

將六方氮化硼和觸媒金屬置于合成腔內(nèi)，在1300～2300℃、500～900MPa的高溫高壓下，部分六方氮化硼轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎降鹞⒕АＲ部捎渺o壓燒結(jié)法獲得立方氮化硼晶體。立方氮化硼的晶格與金剛石相似，其硬度和強(qiáng)度接近于金剛石，可作為鉆頭切削具。立方氮化硼開始氧化的溫度超過1300℃，在一定的保護(hù)環(huán)境下，可經(jīng)受1900℃以上的高溫，但脆性大，導(dǎo)熱性比金剛石差，熱膨脹系數(shù)大。

近年來，美國(guó)和歐洲共同體的一些國(guó)家先后研制出用聚晶金剛石和立方氮化硼為基體材料的復(fù)合體切削具已有幾十種。有單元的、也有多元異型的，其幾何形狀、規(guī)格和物理機(jī)械性能各不相同，現(xiàn)有幾十種專利，并不同程度地在地質(zhì)勘探、礦山坑道鉆探、石油鉆探中進(jìn)行試驗(yàn)和使用。

由于合成工藝技術(shù)及設(shè)備性能等方面的原因，大多數(shù)超硬材料切削具只能在700℃以內(nèi)的溫度環(huán)境中制成產(chǎn)品。以其制造的地質(zhì)、礦山、石油鉆頭，限用于可鉆性在7級(jí)以下的非研磨性或弱研磨性巖層。2100433B

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)需求和油氣開采企業(yè)開采計(jì)劃決定。2009年我國(guó)石油產(chǎn)量為18,949萬噸，消費(fèi)量卻高達(dá)38,384.5萬噸，石油對(duì)外依賴性強(qiáng)。《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》中明確指出要加大石油勘探開發(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年全球頁巖氣資源初步評(píng)估》報(bào)告，中國(guó)是全球頁巖氣儲(chǔ)量最多的國(guó)家，可采儲(chǔ)量約為36.1萬億立方米，遠(yuǎn)高于世界其他國(guó)家。進(jìn)入“十二五”，我國(guó)將頁巖氣勘探開發(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、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用”，在《頁巖氣發(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，隨著頁巖氣開發(fā)利用的深入，油氣用PCD復(fù)合片必將迎來新的發(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發(fā)。