超硬材料網

1、引言

       自1963年第一顆人造金剛石在華夏大地誕生后，經歷37年的不平凡歷程，取得舉世矚目的成就，歸納起來大致有以下幾點：

       1.1 已形成以高技術產業，合成技術經過三次大的飛躍，使得這門跨多種學科的技術變得越來越完整，越來越成熟起來。

       1.2 已成為世界上中、低檔次人造金剛石單晶（包括粗制微粉）的生產和出口大國：CVD薄膜的工業化生產正在逐步展開；納米結構金剛石產業化條件基本具備，應用開發正在策劃之中；立方氮化硼生產有所發展，仍不理想，但潛在前景很好；PCD成功地用于地質、石油鉆探，是世界金剛石鉆探發展中一大創舉，對推動我國和世界金剛石鉆探技術的發展做出了重大歷史性貢獻。

       1.3 已涌現出像黃河實業集團公司、杭州高發磨料磨具（集團）公司、亳州金剛石（集團）公司、河南中南機械等一批年產3000萬拉以上的人造金剛石生產企業，表明規?；a格局已經形成。

       1.4 鉸式六面砧壓機的大型化進程明顯加快，可是高品級金剛石產業化亟待解決。

       物換星移，世紀交替，回顧以往的成就固然可喜，但展望未來的任務更為艱巨。我們需要追憶的往事很多很多，本文僅就超硬材料的發展問題做一簡要綜述。

2、人造金剛石的需求與發展

       有需求就有發展，這點從我國人造金剛石發展歷程可得到充分說明。

       第一階段：硬質合金的機械加工引發了我國人造金剛石發展的起步。

       第二階段：發展的主要動力來自地質鉆探對高品質金剛石的需求。60年代末，我國探礦工作者認識到，要發展我國鉆探事業，靠進口天然金剛石是不行的，必須走自力更生的道路，立足于國內人造金剛石制造地質鉆頭。

       經過三年的推廣表明，人造金剛石鉆頭可以鉆進堅硬地層，在坑鉆進中能打任意角度的鉆孔（鋼粒鉆進無法解決），實現了“以鉆代坑”，人造金剛石鉆進完全可以取代鋼粒鉆進，有其不可比擬的優越性，與天然金剛石鉆頭比較，成本低，效率高，適應范圍廣。隨著人造金剛石鉆探的逐步推廣，鉆探臺日效率逐年提高，鉆孔質量也相應提高，單位成本下降，人造金剛石鉆探優勢充分顯示出來。我們的實踐結論是，由于地質鉆探的需要，推動了我國人造金剛石的發展，人造金剛石的發展，又促進地質鉆探技術的不斷發展與提高。

       據1990年主要地質勘探部門統計：冶金部已普及人造金剛石鉆探，中國有色金屬總公司93%的鉆探工程采用人造金剛石鉆探技術、核工業部金剛石鉆機開動臺數占89.8%、地礦部機械巖心鉆探工作量159.7萬米，金剛石鉆探工程量占67%，其中人造金剛石鉆頭使用比例占67.5%，實踐證明，人造金剛石在地質鉆探的應用，使我國鉆探技術發生了全面改革，并已超越地質鉆探范疇，在工程地質、水文水井、基礎工程施工、油、氣鉆探、礦山和建筑施工等部門。

       第三階段：石材加工的需求給人造金剛石的大發展帶來前所未有的機遇。從市場來看，目前我國人造金剛石最大的市場去向是石材加工。據中國石材協會統計，我國1998年共生產板材1.35億平方米（其中花崗石7500萬平方米、大理石3500萬平方米、水磨石2500萬平方米）。若以加工每平方米板材耗用1.4克拉金剛石計算，需耗用人造金剛石近2億克拉。去年，我國加大對基礎設施和建筑工程的投入，一大批“世紀工程”相繼完工，市場上對裝飾石材的需求量回升。近幾年來，用于鋸切混凝土和建筑裝修的金剛石工具市場發展很快，小鋸片出口市場已基本穩定，這部分耗用的金剛石大約為5000—8000萬克拉，所以，加上加工石材所需的金剛石，這塊市場總量將接近3億克拉。

       此外，出口的需求，我國已成為世界上人造金剛石最大的生產大國和最大的出口大國。從目前出口地區來看，美國仍然是我國人造金剛石最大出口國和轉口集散地。隨著亞洲經濟的復蘇，人造金剛石需求增長明顯，尤其是日本市場增勢強勁。據日本大藏省關稅局發表的資料，日本1999年，共進口工業人造金剛石（含天然）10,187萬克拉，其中從中國進口人造金剛石3, 335萬克拉，占進口總量33%，差不多比1998年增加4倍，是近10年從中國進口人造金剛石最多的一年，首次突破該國進口量30%。

3. 立方氮化硼生產有所發展、應用潛在市場很大

       立方氮化硼（CBN）是1957年，由美國G.E.Co首先研制成功的高科技磨削材料。它的問世給硬韌難加工材料的加工帶來了革命性變革，它不僅大大提高了勞動生產率、加工精度和加工質量，而且減輕了能量消耗和環境污染。因此，世界工業發達國家投入了大量的人力、物力進行CBN及制品的開發和應用研究。

       1966年CBN在鄭州磨料磨具磨削研究所問世，1983年完成高品級CBN的研制，1994年又完成了微晶立方氮化硼的科研任務。通過實驗研究，該課題所制得的CBN微晶，在主要性能上接近G.E.Co CBN550產品水平。

       自1966年我國研究成功立方氮化硼后至今已有34個年頭了，經過34年的發展，始終沒有形成規模生產的格局，CBN生產的總態勢是分散附屬在為數不多的金剛石生產企業中，生產量小、品種單一、品級不高。雖然在此期間國內推出了一些CBN及其制品的科研成果，但得到推廣的不多，從而嚴重地制約著CBN的發展。為此，這里將要著重提及的是發展中的河南富耐克超硬材料有限公司。

       該公司的前身是武陡超硬材料廠，始建于1988年，1997年到鄭州國家高新技術產業開發區落戶、1988年河南省科學技術委員會授予高技術企業的光榮稱號、1999年11月通過國際ISO9002質量管理體系認證、通過十多年的發展已成為我國唯一的、最大的、專業化CBN生產企業。

       該公司生產規模已達年產量CBN單晶1800萬克拉、微粉200萬克拉、CBN陶瓷砂輪500片、CBN刀具2000把、年實現總產值3250萬元，其中，CBN單晶及微粉產品為主要產品，80%出口美國、日本、歐洲、臺灣、等國家和地區。

       目前，全球需求量為1.5億克拉，并以每年25%的速度遞增，該公司已于一些國際知名的磨具制造企業建立長期供貨關系，其中有享譽全球的美國、德國、奧地利、日本磨具制造企業，說明該公司產品得到了國際的認可，表明我國CBN產品具有較高水平，是有國際競爭實力的。

       為了保持在國內外市場競爭的實力，該公司以院所為依托，不斷開發出新產品，并形成產品系列。

       CBN—800是在1988年鄭州磨料磨具磨削研究所轉讓的黑色CBN技術的基礎上經過不斷完善的產品。

       CBN—900、CBN—990和CBN—850所采用技術是與吉林大學合作，于1998年研制成功的。

       CBN—800已生產900萬克拉以上，CBN—900、CBN—850產品已分別生產300萬克拉以上，表明上述CBN單晶已具備產業化條件。

4. PDC（PCBN)的開發與應用

       鄭州磨料磨具磨削研究所于1969年率先開展PCD的研制。工藝方法與國外顯著不同。其設計思路一般基于兩個方面，其一，選擇的粘結劑應與金剛石有一定的粘結作用；另一是，選擇的粘結劑在高壓高溫下生成的物相自身應具有良好的耐磨性，80年代中期以前，大部分生產廠采用Ni-Si-B體系和80年代中期以后，普遍采用Ti-Si-B體系就是根據上述原則選定的，可以認為，我國的聚晶燒結體不論在理論研究，還是在工藝研究方面均有獨到之處，特別是在確定和控制聚晶燒結體耐磨性的工藝方法，自銳性研究以及結構與性能方面的研究取得了令人矚目的成果。我國PCD的耐熱性能事世界一流的，這已為世界所認可。  

       刀具用PCD于PCBN圓片有越來越大趨勢，因為其直徑越大，可切割的刀頭數量越多，也越經濟，故進口大片子走俏國內市場。作為石油、地質鉆探用PCD并非越大越好，實踐證明，最大以Φ 19mm較為理想，河南新亞公司的石油與地質鉆頭用PCD的規格較全，基本上滿足了市場需求。

       4.1 石油和地質鉆頭

        PCD 1972年成功地用于地質鉆探，在國外無此先例，另PCD用于鉆頭內外徑的保徑及可制成擴孔器，亦屬我國首創。1975年《人民日報》稱人造金剛石已成套地用于地質鉆探（包括人造金剛石單晶和多晶金剛石、鉆頭制造、鉆進工藝），不僅是中國的技術進步，也推動了其他國家將人造金剛石用于地質鉆探的步伐。1975年PCD成功用于石油鉆探，在勝利油田用噴射式三刮刀PCD鉆頭，一只鉆頭可鉆穿三組地層，每只鉆頭進尺2400米以上，最高可達3135米，時效60米/時（平均），與硬質合金三刮刀鉆頭相比，每口井當時可節約2萬元，時間節省78%。與牙輪鉆為主的井相比，可節約成本137-226%，時間可節約5-8天。

       1987年在勝利油田渤南地區會戰中，有55口井從二開使用這種鉆打到井深2000—2600米、平均單只進尺2104.77米，與同地相同井段使用的P型牙輪鉆頭相比，機械轉速提高70%，每米鉆進成本可減少14.9元，降低34.41%。渤南會戰共使用127只PCD刮刀鉆頭，累計進尺222,631米，占鉆井總進尺的40.1%，可節省鉆井費用330多萬元。據不完全統計，14年來僅在勝利油田共推廣應用4000多只PCD刮刀鉆頭，總進尺800多萬米，與牙輪鉆頭相比，以每米鉆進成本減少14.9元計，可節省鉆井費用約1億1920萬元，并為勝利油田實現鉆井速度翻番和鉆井速度連續8年穩居全國同行業之首發揮了重要的作用。

       隨著工農業的增長，我國的能源消耗速度增加，保持與增加原油、天然氣的產量是一項基本國策，為此國家制定了穩定東部，開發西部的方針，從而適合于油田鉆進的PDC鉆頭需要量相應增加。

       我國是煤炭生產大國，在煤田勘探中PDC鉆頭用量也日益增多，與硬質合金鉆頭相比效果十分顯著。

       4.2 切削刀具

       80年代中期，我國已開始進行PCD和PCBN刀具的研制，PCD和PCBN刀具的需求以汽車和摩托車制造廠和其另配件生產企業為主，大約占整個國內的需求的80%以上，其余分布在家用氣器、通用機械等行業，需求量逐年上升，80年代每年2000—3000把，到97年大約需求26000把。

       歐洲工具制造商對PDC和硬質合金工具壽命做了比較，表明PDC工具長10倍，這些數據基于一定范圍的木制品的平均結果，包括中密度纖維板、硬天然木材和原紙板和層壓紙板。

       木材加工業中使用PCD切削工具進行大批量生產的三個主要優點表現在：增加了工具壽命；減少了非工作時間；改進了加工質量。

       在歐洲，強化復合地板的年使用量已達6000—7000萬平方米。目前，國內已有十幾家中外合資企業引進國外先進技術和設備生產強化復合地板，所使用刀具全部從國外進口，價格昂貴，交貨期長，修磨不便。因此，給發展這種專用刀具提供了很大空間。

       4.3 拉絲模

       1978年PCD成功應用于拉絲模，不僅提高了拉絲的質量和效率，還促使了拉絲工業的技術進步。

5、CVD金剛石膜—21世紀的材料

       早在20世紀50年代和60年代末，蘇聯、美國等國的科學家已先后在低壓下實現了多晶薄膜的化學氣相沉積（CVD）。雖然當時其沉積速度非常之低，但無疑是奠基性之舉。由于80年代初期金剛石薄膜的低壓氣相生成取得了突破性進展，全世界掀起了一股金剛石薄膜研究的高潮。國家科委高技術計劃新材料領域及時安排了金剛石薄膜的制備與應用研究這個跟蹤項目。

       研究證實高質量的CVD金剛石多晶薄膜硬度、導熱、密度、彈性（以楊氏模量表征）和透光性物理性質已達到或天然金剛石。

       進入20世紀80年代以來，成功地發展了多種CVD金剛石多晶薄膜的制備方法，薄膜的生長速率、沉積面積和結構性質已逐步達到應用的程度。

       在CVD金剛石薄膜的應用基礎研究中，有很多課題可以根據應用方向的需要加以選擇，研究條件中最重要的是測試、分析的診斷手段，國內已基本具備，因而是能夠有所作為的。

       侯立指出，金剛石膜近期和未來的重要應用是國民經濟的基礎—機械加工工業。金剛石膜產品已在汽車行業、航天行業、拉絲制網行業得到廣泛的應用，部分產品已經小批量銷往國外市場；而且要不斷開發CVD金剛石新的生長技術，開拓CVD金剛石膜在更高層次的聲學、熱學、光學、電學的應用。

       匡同春等指出，隨著現代集成制造系統加工中心、流動機加工車間（FMS），計算機集成制造系統（CIMS）的問世，以及機械加工正朝著精密、高速、高生產率切削的方向發展，對刀具性能提出了相當高的要求，開發各種耐磨性優良、能長時間進行穩定加工的超硬切削刀具是必然趨勢。

       為此，國內的一些高等院校、科研院所和工具生產廠家，如吉林大學、清華大學、上海交通大學、湖南大學、沈陽金屬研究所、人工晶體研究所、廣州有色金屬研究所、株洲硬質合金廠等也正加緊相關的產品開發研究，實現CVD金剛石刀具產業化已為時不遠。

       近年來，國內加工CVD金剛石膜的技術也得到了迅速發展，最基本的金剛石膜的切割、研磨、拋光以及金剛石膜與其它刀體材料的粘結（釬焊）技術。目前，傳統的機械拋光方法在金剛石膜的加工中，仍占有一定的地位，但其加工質量和成本，已遠遠不能適應CVD金剛石膜實用化的進程。不久的將來，各種先進的熱化學方法、激光技術、光學加工方法、分子剝離技術、離子轟擊技術和涂層技術將成為CVD金剛石膜熱學、電子學、聲學和半導體應用及其產品制備的只要加工手段。

       據國際資源開發（IRD）公司統計數字表明：CVD金剛石膜產品將以幾乎兩年增長一倍的極快速度走向市場，全世界金剛石膜的銷售額，1990年約為2億美元，1995年約為20億美元，2000年預計可達到40億美元。有關專家預計，2010—2020年金剛石膜直接市場將超過100億美元，相當于目前合成人造金剛石產品市場的2倍。因此，金剛石膜被譽為二十一世紀的材料。

       盡管由于金剛石膜的某些加工的制備關鍵技術，還沒有完全解決，導致實際市場的規模低于預測的結果，但人們十分清楚，某些問題的解決將會使金剛石膜市場成倍，甚至成數量級的增長。

       可以預期，通過在金剛石膜科學技術領域中從事應用基礎研究的我國科學工作者的共同努力，將會有更多的研究成果達到國際前沿的研究水平，從而推動我國CVD金剛石膜這一重要的新型功能材料領域中的技術發展與產業形成作出應有的貢獻。

6、21世紀的“工業維他命”—納米結構金剛石

       納米結構金剛石是一種兼具有金剛石和納米顆粒雙重特性的新型材料。這種金剛石自然界不蘊藏，靜壓法也制造不出來，由于其生長條件苛刻，所以其合成技術直到1987年才由俄羅斯在實驗室率先研制成功，90年代初才投入批量生產。1993年中科院蘭州化學物理研究所，在國內首先用炸藥爆轟法合成得到了平均粒徑為1—10nm的納米結構金剛石。據了解目前從事這一研究的單位還有：中國人民解放軍第二炮兵工程學院、北京理工大學、東南大學材料系、西南流體物理研究所、西北核技研究所、北京溥澤科技開發中心等。可見，一支高素質的納米結構金剛石研究開發技術隊伍已基本形成，并在爆轟技術、機理研究、提純處理、物理測試等方面取得可喜進展。

       炸藥爆炸合成金剛石的方法與傳統的石墨相變法（包括靜壓法和動壓法）和化學氣相沉積（CVD）法不同，它是以負氧平衡炸藥TNT和黑索金RDX經一定比例混配作原料（其中TNT為碳源，RDX為高壓源），置入密閉爆炸罐中，內充惰性氣體（如CO和N），通過引爆和一定的爆溫（3000—5000K）爆壓（20—30Gpa)控制，有機炸藥分子解離成碳原子或是原子團，在短瞬間（若干微秒）冷卻，收集爆炸固相（爆轟灰）；除去雷管導索等雜質，用強酸除去無定形碳及金屬雜質，再用蒸餾水沖洗至中性，即可得到納米結構金剛石。

       為了解納米結構金剛石特性，人們利用X射線衍射、透射電鏡、激光拉曼光譜、紅外吸收光譜、差熱和熱失重等對納米結構金剛石的特性進行了表征，分析了不同合成條件對納米結構和性質的影響。

       納米結構金剛石的應用在美、日、俄、烏等國家已經取得了很大進展。我國開展納米結構金剛石應用研究雖然起步較晚，但經過努力也已取得成果，例如，第二炮兵工程學院與西安交大合作，研究開發了一種高效專用內燃機磨合油，顯著縮短磨合時間，提高磨合品質，改善發動機配合副表面耐磨性能；與第四軍醫大學合作，把納米結構金剛石作為生物抗體的載體，因它具有很好的表面惰性，不含重金屬雜質，不會使生物抗體發生結構和性能上的變化，不會影響其功能的發揮，有可能在醫療上得到廣泛的應用；中科院蘭州化學物理研究所、西安核技術研究所在復合鍍層、橡膠和樹脂增強方面作了有益嘗試，哈爾濱工業大學用含有納米結構金剛石的研磨液對陶瓷滾珠進行磁流體研磨，得到了粗糙度只有0.013μm的表面等等。以上應用只是個初步的，但是個良好的開端。納米結構金剛石能否產業化，主要取決于應用。因此，加大納米結構金剛石應用技術的研究與開發力度則是關鍵，而實行科研、生產、應用的“三結合”對加速應用步伐又是十分重要的。

綜上所述

       1. 需求拉動了超硬材料的發展，而超硬材料的發展又推動著機械加工技術、地質和石油鉆探技術，以及石材加工技術等的技術進步和發展。

       2. 隨著超硬材料合成技術的不斷發展，物性研究的不斷深入，將為其應用領域的繼續擴大提供了可能。因此，我們應該積極能動的去搜索，去發現，去開拓它的應用，以求擴大其新的需求。

       3. 超硬材料未來的發展，仍離不開應用的需求，由于超硬材料所具有的一系列優異技術特性，隨著現代化工程技術的高速發展，可以肯定它的應用領域會越來越寬的。