典型超硬材料研究现状及应用范围

研究现状

1 立方氮化硼

很长一段时间里，立方氮化硼被认为在自然界不存在，直至2009年，美国加州大学河滨分校劳伦斯·利弗莫尔*实验室的科学家和来自中国、德国科研机构的*一起，在中国青藏高原南部山区地下约306km深处古海洋地壳的富铬岩内找到了这种矿物，其在大约1300℃高温、118430个大气压的高压条件下形成了晶体。其原子结构与金刚石中的碳原子结构类似，因此它具有高密度的特性,硬度可媲美钻石，常被用作磨料和刀具材料。

应用范围

金刚石的硬度更高，其他性能也较为优异。它可以加工各种难加工材料和非难加工材料，因为金刚石刀具的切削刃可以加工得很锋利,切削刃钝圆半径能达纳米级,因此特别适用于对有色金属进行超精密切削加工。金刚石刀具能切削纯钨、工程陶瓷、硬质合金、工业玻璃、石墨与各种塑料以及各种复合材料。金刚石还可用于制作牙科、骨科所用医疗器械工具，以及用于木材、石材加工的刀具和工具。金刚石和立方氮化硼单晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂纸等。金刚石还大量用于制作拉丝模、砂轮修正器和石油、地矿部门的钻探钻头,还可用于制作各种耐磨件。

立方氮化硼有着高硬度、高热稳定性的特点,*适合切削各种淬硬钢,包括合金工具钢、碳素工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等和各种冷硬铸铁还有耐磨铸铁，以及各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂零件。大部分能用金刚石刀具切削的难加工材料，如硬质合金、陶瓷、玻璃、复合材料等，用立方氮化硼刀具也可加工，但立方氮化硼刀具的使用寿命低于金刚石刀具。立方氮化硼刀具热稳定性高，高速切削硬质材料时金属有软化效应，适合高速干式切削。

2 天然金刚石

天然金刚石是在地壳深处结晶形成的，存在于地表下深度为100~300km的金伯利岩中。*适宜的结晶条件是压力5~7GPa，温度1200~1800℃。天然金刚石完全按结晶学定律生长，岩浆在深部时，温度、压力皆高。此时，天然金刚石完全按结晶学定律生长，以硅为结晶基底,活化碳沉积形成晶胞,逐渐扩大,为反核晶,有时可长成厚板状。天然金刚石分为宝石级（钻石）和工业级。

天然金刚石晶体以硬度高、耐磨损、化学惰性良好等特性而广泛用作超精密切削加工的刀具材料。因此天然金刚石刀具的刃磨技术一直是研究的热点。我国当前广泛采用机械刃磨技术来制造天然金刚石刀具。

为了给天然金刚石刀具的使用寿命延长提供一种全新的技术方法，目前已经提出了基于纳米氧化铜的真空热化学腐蚀新工艺，用于后处理机械刃磨工艺加工的天然金刚石晶体。

3 人造金刚石

人造金刚石的很多研究工作始于天然金刚石。人造金刚石产品可按照晶形、颜色、粒度、冲击强度、高温强度等多项指标进行分级。晶形完整、色浅透明、粒径较大、强度较高者，称为高品级产品。人造金刚石包括：宝石级大单晶、工业用单晶金刚石、烧结体、复合体、人造卡邦、金刚石微粉、金刚石薄膜、纳米级金刚石。

工业生产金刚石的主要方法是利用石墨为原料，镍钴等触媒金属为催化剂，在大约5GPa和1700K的高温高压条件下将石墨转化生成金刚石。

2011年中国人造金刚石产量为110亿ct，占全球总产量的90%，已是金刚石大国，并且正在向金刚石强国迈进。1963年11月，我国*颗人造金刚石诞生。

制造中国的高品质人造金刚石是很多超硬材料专家为之奋斗一生的事业，特别是在探矿工程界，从20世纪60~70年代开始就为“粗颗粒高强度”而拼搏着。经过几代人的努力，到了21世纪初，已经有了快速发展。从2003年不足10%提高到2004年的40%以上或更高)，因此今后将会是对其技术的提高和完善以及普及和应用阶段。所以说近期是金刚石单晶技术全面提升的新时期。