超硬材料研究背景

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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田永君教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組在國家自然科學(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)。

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，隨著下游應(yīng)用市場需求的不斷擴(kuò)大，復(fù)合超硬材料下游需求呈現(xiàn)較快增長的態(tài)勢。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，國內(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規(guī)模的不斷增長，復(fù)合超硬材料的市場需求隨之?dāng)U大，其中高品級金剛石的市場需求占整個市場的比例大約為60-70%。

首先，石油/天然氣鉆頭用PCD復(fù)合片的市場容量和需求主要由下游油氣鉆頭市場需求量決定，而油氣鉆頭需求量主要由油氣市場需求和油氣開采企業(yè)開采計(jì)劃決定。2009年我國石油產(chǎn)量為18,949萬噸，消費(fèi)量卻高達(dá)38,384.5萬噸，石油對外依賴性強(qiáng)。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》中明確指出要加大石油勘探開發(fā)力度，穩(wěn)定國內(nèi)石油產(chǎn)量。

另一方面，中國天然氣產(chǎn)量和消費(fèi)量總體呈增長趨勢。數(shù)據(jù)顯示，2005年到2011年我國天然氣產(chǎn)量一直呈現(xiàn)高速增長趨勢。2011年我國天然氣產(chǎn)量增長迅猛，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8.12%。

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

根據(jù)美國能源署（EIA）公布的《2011年全球頁巖氣資源初步評估》報(bào)告，中國是全球頁巖氣儲量最多的國家，可采儲量約為36.1萬億立方米，遠(yuǎn)高于世界其他國家。進(jìn)入“十二五”，我國將頁巖氣勘探開發(fā)作為國家能源戰(zhàn)略的重要發(fā)展領(lǐng)域之一，在《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十二個五年規(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)合片的市場需求主要受煤炭的開采量影響。國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國從1990年到2009年煤炭的產(chǎn)量和消費(fèi)量都呈現(xiàn)不斷增長的態(tài)勢，產(chǎn)消基本平衡。2011年我國原煤總產(chǎn)量達(dá)到35.2億噸，同比增加8.7%。在煤炭產(chǎn)量的不斷帶動下我國礦用金剛石復(fù)合片市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，礦山用復(fù)合片全球市場規(guī)模近200億元，中國市場規(guī)模約為20億元。

再次，PCD高品級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，市場容量可觀，但由于PCD 拉絲模坯的生產(chǎn)成本和售價(jià)較高，有部分對拉絲效果、精度要求較高的終端用戶選用PCD 拉絲模坯，市場容量有待進(jìn)一步擴(kuò)大。

超硬材料天然

金剛石，也稱鉆石，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。

立方氮化硼，英文稱為:：Cubic Boron Nitride，縮寫為：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，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、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刃修磨。在切削加工的各個方面都表現(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)速度及時效均為天然金剛石的許多倍，同時鉆進(jìn)過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。本書可供超硬材料專業(yè)的科研和生產(chǎn)工作人員使用，也可供大專院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司（簡稱“新亞公司”）成立于1990年，是專業(yè)從事金剛石復(fù)合超硬材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高新技術(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)。證明材料來自河南科技網(wǎng)。

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。