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顧名思義，超硬材料是硬度極高的材料。通常來說，金剛石的硬度最高，莫氏硬度為10，cBN的硬度稍次于金剛石，所以超硬材料通常是指金剛石和cBN，或由這兩種材料為主要成分分別制成的復(fù)合材料。

 

作為“工業(yè)牙齒”應(yīng)用的四類硬質(zhì)材料，剛玉、SiC、硬質(zhì)合金、高速鋼的硬度，遠(yuǎn)低于金剛石和cBN的硬度，因此超硬材料又被稱為最硬最鋒利的“工業(yè)牙齒”或“材料之王”。

 

超硬材料的結(jié)構(gòu)與性能

 

1 金剛石的結(jié)構(gòu)與性能

同其他碳材料一樣，金剛石的主要化學(xué)元素組成是碳。無論是天然金剛石，還是人造金剛石，但無論哪種金剛石都會(huì)含有或多或少的雜質(zhì)。金剛石一般都含有氮雜質(zhì)，根據(jù)金剛石晶體內(nèi)氮元素含量的差異，金剛石可以分為兩種類型，分別為Ⅰ型金剛石和Ⅱ型金剛石。

 

金剛石的分類

 

金剛石的雜化軌道電子云分布、原子結(jié)構(gòu)和晶胞結(jié)構(gòu)

 

近年來，碳材料是一類非常具有研究熱點(diǎn)的材料。21世紀(jì)也被稱為“碳時(shí)代”。碳材料以其優(yōu)異出眾的性能被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，石墨烯及碳納米材料、碳纖維及其復(fù)合材料、金剛石、碳基薄膜和傳統(tǒng)碳材料（炭 黑、多孔碳、石墨、特種石墨等）在鋰電、電容器、儲(chǔ)能、光伏、半導(dǎo)體、光電顯示、５Ｇ通訊、傳感器、通用航空、未來交通、高端裝備等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

 

2 cBN的結(jié)構(gòu)與性能

立方氮化硼（cBN）是第二大品種的超硬材料。氮化硼的化學(xué)結(jié)構(gòu)式是BN，由硼元素和氮元素兩種元素組成。氮化硼具有四種不同的晶體結(jié)構(gòu)，主要有六方氮化硼（hBN）、立方氮化硼（cBN）、菱方氮化硼 （rBN）和密集六方氮化硼（wBN）。其中hBN和rBN中氮原子和硼原子以SP2方式雜化，而cBN和wBN中氮原子和硼原子以SP3方式雜化。

 

某公司幾種不同牌號(hào)的cBN單晶

（來源于該企業(yè)網(wǎng)站）

 

cBN的硬度略低于金剛石，顏色多樣，晶體顏色與所含雜質(zhì)種類、數(shù)量有關(guān)。cBN具有獨(dú)特的光電特性，合成大尺寸、高質(zhì)量 cBN單晶是獲得功能器件應(yīng)用的必然選擇，可是cBN晶體的大尺寸化遠(yuǎn)沒有金剛石做得成功，這也許是因?yàn)楹铣纱箢w粒cBN的條件更苛刻，其應(yīng)用也沒有找到合適領(lǐng)域的緣故。

 

超硬材料的應(yīng)用

 

超硬材料制品的主要品種

超硬材料及其制品工具在工業(yè)中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，不僅解決了用傳統(tǒng)工具無法加工或難以加工的難題，還明顯提高了傳統(tǒng)加工效率，明顯降低消耗及廢物排放。

 

幾種超硬材料制品及工具

（a.刀片；b.砂輪；c.鋸片；d.鉆頭）

 

超硬材料制品及工具主要品種有鋸切工具、 磨具（包括固結(jié)磨具、涂附磨具和松散磨具）、切削刀具、鉆探工具、修整工具、拉絲模具、其他工具及不同的功能元器件。

 

天然鉆石和人造鉆石

 

（1）天然鉆石

采用天然金剛石得到的鉆石稱天然鉆石。天然鉆石璀璨、華麗、稀有、珍貴，被人們視為珍愛之物。有一句廣告語“鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”在我國婦孺皆知。

 

天然金剛石除用作為飾品以外，更多的是工業(yè)應(yīng)用。金剛石的工業(yè)用途長(zhǎng)期以來是利用其特別高的硬度，切割玻璃的金剛石刀使我們聯(lián)想到采用金剛石來制備鉆頭用于地質(zhì)勘探和石油、煤炭開采。金剛石在高溫下會(huì)與氧發(fā)生不同程度的氧化反應(yīng)，特別是與鐵親和性好，不適合用于黑色金屬加工。

 

（2）人造鉆石

人造鉆石，行業(yè)內(nèi)又常稱為實(shí)驗(yàn)室合成鉆石，或培育鉆石。大顆粒或大單晶的人造金剛石已經(jīng)用于加工合成鉆石飾品。

 

 

人造鉆石也是貨真價(jià)實(shí)的鉆石，成分、結(jié)構(gòu)與天然鉆石完全相同。兩者只能通過非常特殊的方式區(qū)分，比如在陰極發(fā)光儀下，前者的生長(zhǎng)紋理呈幾何狀，而后者呈環(huán)帶狀。從2006年開始，GIA等珠寶機(jī)構(gòu)開始提供鑒定服務(wù)并發(fā)放證書，主要為了防止商家用價(jià)格較低的合成鉆石冒充天然鉆石銷售。

 

 

過去，鉆石行業(yè)的研究人員一直在尋找高效合成人造鉆石的方法，但一直未有突破性進(jìn)展，其兩大主要障礙來自于成本和生產(chǎn)兩方面的因素。經(jīng)過數(shù)十年的研究，現(xiàn)在靜態(tài)觸媒條件下超高壓高溫法合成金剛石大單晶技術(shù)已經(jīng)成熟。

 

我國在超高壓高溫法合成的人造鉆石大單晶，以及采用微波等離子體CVD法合成人造鉆石的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用方面都取得了快速的發(fā)展，已經(jīng)有合成鉆石飾品在市場(chǎng)上銷售，并初具市場(chǎng)規(guī)模。

 

cBN的主要應(yīng)用

 

 cBN與金剛石相比有獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，如高熱穩(wěn)定性，與鐵族系元素化學(xué)惰性。cBN的用途目前主要有兩個(gè)方面，一是制造磨具，二是制成聚晶立方氮化硼用作刀具材料。因此，cBN加工黑色金屬材料有獨(dú)到之處，為硬而韌的難加工鐵基材料提供了新的加工工具。

 

 cBN的主要應(yīng)用如下：

（1）用作磨具材料。既能用于鐵基材料的加工，也能用于非鐵金屬材料的加工。

（2）用作刀具材料。用于刀具的一般是聚晶立方氮化硼，PcBN是由cBN單晶制備的微粉，通過添加碳化鈦、鈷等粘接劑，再用六面頂壓機(jī)經(jīng)高壓高溫?zé)Y(jié)制得的。對(duì)鐵族金屬及其合金的加工特別有效，特別適合于高速切削和干式切削，并實(shí)現(xiàn)了以車代磨， 以銑代磨，大幅度提高了生產(chǎn)效率。

（3）用作功能材料。高導(dǎo)熱性cBN可以應(yīng)用在光電功能器件上。

 

 超硬材料是眾多不同材料中的一個(gè)小品種，但它卻是一種不可替代材料，并將可能逐步部分代替其他一些材料。