典型超硬材料研究現狀及應用范圍

研究現狀

1 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，美國加州大學河濱分校勞倫斯·利弗莫爾*實驗室的科學家和來自中國、德國科研機構的*一起，在中國青藏高原南部山區地下約306km深處古海洋地殼的富鉻巖內找到了這種礦物，其在大約1300℃高溫、118430個大氣壓的高壓條件下形成了晶體。其原子結構與金剛石中的碳原子結構類似，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。

應用范圍

金剛石的硬度更高，其他性能也較為優異。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、硬質合金、工業玻璃、石墨與各種塑料以及各種復合材料。金剛石還可用于制作牙科、骨科所用醫療器械工具，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、高熱穩定性的特點,*適合切削各種淬硬鋼,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，如硬質合金、陶瓷、玻璃、復合材料等，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定性高，高速切削硬質材料時金屬有軟化效應，適合高速干式切削。

2 天然金剛石

天然金剛石是在地殼深處結晶形成的，存在于地表下深度為100~300km的金伯利巖中。*適宜的結晶條件是壓力5~7GPa，溫度1200~1800℃。天然金剛石完全按結晶學定律生長，巖漿在深部時，溫度、壓力皆高。此時，天然金剛石完全按結晶學定律生長，以硅為結晶基底,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）和工業級。

天然金剛石晶體以硬度高、耐磨損、化學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一直是研究的熱點。我國當前廣泛采用機械刃磨技術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方法，目前已經提出了基于納米氧化銅的真空熱化學腐蝕新工藝，用于后處理機械刃磨工藝加工的天然金剛石晶體。

3 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，稱為高品級產品。人造金剛石包括：寶石級大單晶、工業用單晶金剛石、燒結體、復合體、人造卡邦、金剛石微粉、金剛石薄膜、納米級金剛石。

工業生產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化生成金剛石。

2011年中國人造金剛石產量為110億ct，占全球總產量的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。

制造中國的高品質人造金剛石是很多超硬材料專家為之奮斗一生的事業，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。經過幾代人的努力，到了21世紀初，已經有了快速發展。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的提高和完善以及普及和應用階段。所以說近期是金剛石單晶技術全面提升的新時期。