超硬材料切削具立方氮化硼

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(kāi)始氧化的溫度超過(guò)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。

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。

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(wàn)之間，幾何形狀有圓柱狀和三棱柱狀等。

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(xiàn)切割的方法或直接合成所需要的其它幾何形狀。

近年來(lái)，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(zhuān)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?xún)?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(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)。《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(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)。