超硬材料

超硬材料（Superhard Material）是指硬度特別高的材料，可分為天然以及人造兩種，前者主要包括天然的鑽石（金剛石）、黑鑽石，後者則包括聚合鑽石納米棒(ADNR)、化學氣相沉積金剛石(CVDD)，以及現在研究較多的多晶立方氮化硼(PCBN)等。

基本介紹

• 中文名：超硬材料
• 外文名：superhard material
• 分類：金剛石和立方氮化硼
• 意思：硬度可與金剛石相比擬的材料

定義

超硬材料主要是指金剛石和立方氮化硼。金剛石（英文：Diamond）是目前已知的世界上最硬的物質,另外C60的硬度可能不亞於金剛石，但尚未定論。立方氮化硼硬度僅次於金剛石。這兩種超硬材料的硬度都遠高於其它材料的硬度，包括磨具材料剛玉、碳化矽以及刀具材料硬質合金、高速鋼等硬質工具材料。

因此，超硬材料適於用來製造加工其它材料的工具，尤其是在加工硬質材料方面，具有無可比擬的優越性，占有不可替代的重要地位。止因如此，超硬材料在工業上獲得了廣泛套用。除了用來製造工具之外，超硬材料在光學、電學、熱學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。

研究背景

2013年1月17日《自然》雜誌發表燕山大學多晶超硬材料合成技術突破性成果，燕山大學亞穩材料製備技術與科學國家重點實驗室田永君教授領導的研究組在國家自然科學基金創新研究群體、重點項目、面上項目以及科技部973項目的持續資助下，與國內外科學家合作，在多晶超硬材料合成技術和超硬材料硬化機理研究方面取得突破性進展。利用高溫高壓技術成功地合成出超高硬度的納米孿晶結構立方氮化硼塊材，提出了材料硬化新機制。其研究成果發表在2013年1月17日最新一期的Nature雜誌上。優異的綜合性能表明納米孿晶結構立方氮化硼是一種工業界期盼已久的刀具材料。這一研究成果向人們展現了合成高性能超硬材料的新途徑——— 獲得超細納米孿晶結構。

中國材料科學家燕山大學田永君教授領導的研究團隊與吉林大學馬琰銘教授和美國芝加哥大學王雁賓教授合作，繼2013年合成出極硬納米孿晶立方氮化硼之後再次取得突破，在高溫高壓下成功地合成出硬度兩倍於天然金剛石的納米孿晶結構金剛石塊材。研究成果發表在2014年6月12日的Nature雜誌上。

發展

據數據顯示，隨著下游套用市場需求的不斷擴大，複合超硬材料下游需求呈現較快增長的態勢。監測數據顯示，目前國內超硬材料與製品產值大約在1:3-1:6之間，隨著下游複合超硬材料製品市場規模的不斷增長，複合超硬材料的市場需求隨之擴大，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/天然氣鑽頭用PCD複合片的市場容量和需求主要由下游油氣鑽頭市場需求量決定，而油氣鑽頭需求量主要由油氣市場需求和油氣開採企業開採計畫決定。2009年我國石油產量為18,949萬噸，消費量卻高達38,384.5萬噸，石油對外依賴性強。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》中明確指出要加大石油勘探開發力度，穩定國內石油產量。

另一方面，中國天然氣產量和消費量總體呈增長趨勢。數據顯示，2005年到2011年我國天然氣產量一直呈現高速增長趨勢。2011年我國天然氣產量增長迅猛，產量占全球天然氣總產量的3.1%，達到1,025億立方米，同比增長8.12%。

隨著我國油氣產量的不斷增長，對於油氣用金剛石複合片的需求量也表現出旺盛的需求。油氣用PCD複合片全球市場規模約為110億元人民幣，我國市場空間大約為14億元人民幣，發展潛力巨大。

根據美國能源署（EIA）公布的《2011年全球頁岩氣資源初步評估》報告，中國是全球頁岩氣儲量最多的國家，可采儲量約為36.1萬億立方米，遠高於世界其他國家。進入“十二五”，我國將頁岩氣勘探開發作為國家能源戰略的重要發展領域之一，在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》中指出“退佃煤層氣、頁岩氣等非常規油氣資源開發利用”，在《頁岩氣發展規劃（2011-2015年）》明確目標要“力爭到2020年產量達到600-1,000億立方米”。所以，隨著頁岩氣開發利用的深入，油氣用PCD複合片必將迎來新的發展機遇，市場規模將進一步擴大。

其次，煤田/礦山工具用PCD複合片的市場需求主要受煤炭的開採量影響。國家統計局數據顯示，我國從1990年到2009年煤炭的產量和消費量都呈現不斷增長的態勢，產消基本平衡。2011年我國原煤總產量達到35.2億噸，同比增加8.7%。在煤炭產量的不斷帶動下我國礦用金剛石複合片市場規模不斷擴大，礦山用複合片全球市場規模近200億元，中國市場規模約為20億元。

再次，PCD高品級拉絲模胚受線材在工業生產和工程建設中需求量巨大的帶動，市場容量可觀，但由於PCD 拉絲模坯的生產成本和售價較高，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，市場容量有待進一步擴大。

金剛石

天然

金剛石，也稱鑽石，有天然金剛石和人造金剛石兩種。金剛石是目前世界上已知的最硬工業材料，它不僅具有硬度高、耐磨、熱穩定性能好等特性，而且以其優秀的抗壓強度、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，成為工業套用領域不可替代的新材料，現代工業和科學技術的瑰寶。

人造

人造金剛石是加工業最硬的磨料，電子工業最有效的散熱材料，半導體最好的晶片，通訊元器件最高頻的濾波器，音響最傳真的振動膜，機件最穩定的抗蝕層等等，已經被廣泛套用於冶金、石油鑽探、建築工程、機械加工、儀器儀表、電子工業、航空航天以及現代尖端科學領域。

立方氮化硼

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）是硬度僅次於金剛石的超硬材料。它不但具有金剛石的許多優良特性，而且有更高的熱穩定性和對鐵族金屬及其合金的化學惰性。它作為工程材料，已經廣泛套用於黑色金屬及其合金材料加工工業。同時，它又以其優異的熱學、電學、光學和聲學等性能，在一系列高科技領域得到套用，成為一種具有發展前景的功能材料。

立方氮化硼微粉，用在精密磨削、研磨、拋光和超精加工，以達到高精度的加工表面。適用於樹脂、金屬、陶瓷等結合劑體系，亦可用於生產聚晶複合片燒結體，還可用做鬆散磨粒、研磨膏。

CBN由於具有優異的化學物理性能，如具有僅次於金剛石的高硬度、高熱穩定性和化學惰性，作為超硬磨料在不同行業的加工領域獲得廣泛的套用，汽車、航天航空、機械電子、微電子等工業不可或缺的重要材料，也得到各工業已開發國家的極大重視。

合成CBN除靜高壓觸媒法還有多種方法，如靜高壓直接轉化法、動態衝擊法、氣相沉積法等，其中有些方法如氣相沉積法發展很快。但迄今為止工業合成CBN主要方法還是靜高壓觸媒法，CBN的合成研究也主要集中於這方面。

黑色立方氮化硼

刀具

立方氮化硼聚晶（PCBN）刀具是由許多細晶粒（0.1~100）CBN聚結而成的CBN聚集體的一類超硬材料產品。它除了具有高硬度、高耐磨性外，還具有高韌性、化學惰性、紅硬性等特點，並可用金剛石砂輪開刃修磨。在切削加工的各個方面都表現出優異的切削性能，能夠在高溫下實現穩定切削，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、修正次數少、利於自動加工，適用於從粗加工到精加工的所有切削加工。PCBN在數控切削行業已得到廣泛套用，是一種具有良好發展前景的刀具材料。

人造金剛石

人造金剛石聚晶（PCD）複合片是在高溫高壓情況下由許多細晶粒金剛石和硬質合金襯底聯合燒結而成的塊狀聚結體。它和PCBN一樣具有高強度、高硬度、高耐磨性、特別是具有高的抗衝擊韌性。作為加工工具，PCD主要用於石油、冶金、地質鑽頭、擴孔器等，其鑽進速度及時效均為天然金剛石的許多倍，同時鑽進過程中還可以有效保持孔徑。人造金剛石複合片還可以用來切削非鐵金屬及其合金、硬質合金以及非金屬材料。切削速度為硬質合金刀具的上百倍，耐用度為硬質合金的上千倍。