中國超硬材料制造的崛起與發(fā)展

中國超硬材料制造的崛起與發(fā)展

超硬材料，其魅力不僅源自其堅不可摧的特質(zhì)，更基于它們在工業(yè)領(lǐng)域無可比擬的應(yīng)用價值。維氏硬度超過40GPa的超硬材料家族涵蓋了金剛石單晶、立方氮化硼等一系列杰出成員，它們顯著提高了刀具、磨料和鉆探工具的性能。在工程學(xué)和地質(zhì)勘察方面，這些材料的應(yīng)用更是革命性的，為挖掘深層地下資源提供了可能。歷史的車輪滾滾向前，在超硬材料的發(fā)展史上，1797年英國化學(xué)家Temant對金剛石與碳同素異形體關(guān)系的發(fā)現(xiàn)是一個重要的里程碑。這不僅揭開了人造金剛石神秘面紗的一角，也為后續(xù)的研究與應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。隨后在20世紀(jì)中葉的一項技術(shù)突破中，美國通用電氣公司成功合成了世界上第一顆人造金剛石小晶體，標(biāo)志著人造超硬材料技術(shù)的成熟。中國緊隨其后，在1963年自主研發(fā)出了第一顆人造金剛石，并迅速建立起國內(nèi)首個生產(chǎn)廠來推廣這一技術(shù)的應(yīng)用。

在21世紀(jì)初，中國在超硬材料領(lǐng)域的發(fā)展取得了令人矚目的成就。短短二十年間，中國不僅成功實現(xiàn)了從片狀到粉末的工藝轉(zhuǎn)型，更通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)模擴(kuò)張，在金剛石產(chǎn)量上取得了連續(xù)突破。2002年，中國的金剛石年產(chǎn)量首次突破20億克拉大關(guān)，并超越其他國家成為全球最大的金剛石生產(chǎn)國。此后，中國不斷刷新著自己的紀(jì)錄：2009年產(chǎn)量達(dá)到54億克拉，2011年躍升至110億克拉。到了2020年，這一數(shù)字更是達(dá)到了驚人的207億克拉。在這一過程中，中國的人工鉆石和立方氮化硼兩大產(chǎn)業(yè)也實現(xiàn)了迅猛發(fā)展。憑借先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和龐大的市場需求，如今中國在這兩大領(lǐng)域的全球市場占有率分別超過了90%和70%。這不僅體現(xiàn)了中國在全球超硬材料產(chǎn)業(yè)中的領(lǐng)先地位，更彰顯了作為制造強(qiáng)國的獨特地位和影響力。

從片狀至粉末的工藝創(chuàng)新、從20億到207億的產(chǎn)量飛躍、從單一市場到全球化布局的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型——這些無不凝聚著中國人民的智慧與汗水，并為世界超硬材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會的快速發(fā)展, 中國超硬材料產(chǎn)業(yè)仍將大有可為。在未來, 中國有望繼續(xù)深化研發(fā)創(chuàng)新, 優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 提升產(chǎn)品品質(zhì), 擴(kuò)大國際影響力, 不斷鞏固其在全球超硬材料行業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)地位。

金剛石與立方氮化硼

的性能比較

金剛石，被譽(yù)為“寶石之王”，不僅以其堅硬無比的物理特性著稱，還因其獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)而備受尊崇。它由純粹的碳元素組成，每個碳原子通過四個共價鍵與其他四個碳原子相連，形成穩(wěn)固的四面體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了金剛石極高的硬度和穩(wěn)定性，使其成為最具抗壓能力的物質(zhì)之一。然而，正如硬幣有兩面一樣，金剛石也并非完美無缺。其脆性使得在受到?jīng)_擊或應(yīng)力時容易碎裂；熱穩(wěn)定性不佳，在高溫下易氧化或轉(zhuǎn)化成石墨形態(tài)；與鐵族元素間存在較強(qiáng)親和力，可能對某些應(yīng)用領(lǐng)域構(gòu)成限制。盡管如此，金剛石的應(yīng)用范圍依然非常廣泛。在工業(yè)生產(chǎn)中，它的高硬度特性使其成為切削工具的理想材料選擇；在珠寶行業(yè)中，則以其晶瑩剔透、光澤奪目的特點廣受歡迎。此外，在光學(xué)、半導(dǎo)體、航空航天等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。例如，在光學(xué)領(lǐng)域中利用金剛石的高折射率和低色散性制作精密光學(xué)元件；在半導(dǎo)體行業(yè)則可用作耐高溫絕緣材料；而航空航天領(lǐng)域則利用其耐磨擦、耐腐蝕的特性應(yīng)用于制造高速飛行器零部件等?？傊?，盡管存在局限之處，但憑借其獨到的優(yōu)勢和潛力無限的應(yīng)用前景，在多個領(lǐng)域中展現(xiàn)出不可替代的重要價值。然而要充分利用這些優(yōu)點并非易事。鑒于金剛石價格昂貴且加工難度較大等缺陷，在實際使用過程中往往需要經(jīng)過精細(xì)的設(shè)計和計算來最大限度地發(fā)揮其效能，并減少成本浪費以及因加工不當(dāng)造成的損傷等問題的出現(xiàn)。因此，在設(shè)計相關(guān)設(shè)備或工藝時需仔細(xì)考量，并結(jié)合實際情況選擇適合的方法進(jìn)行加工制作以實現(xiàn)物質(zhì)利用的最優(yōu)化。此外還需強(qiáng)調(diào)的是, 雖然天然金剛石極為稀有且價值連城, 但由于科技的進(jìn)步, 人造鉆石已逐漸成熟并開始普及于市場之中, 它們通過高壓高壓(HPHT)法或者化學(xué)氣相沉積(CVD)法生產(chǎn)出來, 成本較天然鉆石更低且品質(zhì)可控度更高, 如今已經(jīng)能夠在一些工業(yè)和寶石級應(yīng)用中取代天然鉆石的地位, 對于未來市場的走向具有重要的影響意義.

立方氮化硼（cBN）的合成過程是一項精密而復(fù)雜的技術(shù)。科學(xué)家們通過模擬高溫高壓環(huán)境，采用化學(xué)氣相沉積等方法，將氮氣和硼元素以精確比例混合，在特定條件下促使它們發(fā)生反應(yīng)生成cBN晶體。這一過程需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，如溫度、壓力、氣體流速等以獲得具有均勻結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量特性的cBN晶體。此外，隨著合成技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究人員還探索了微波輔助合成、離子注入等多種新型制備方法，進(jìn)一步提高了cBN的生產(chǎn)效率和品質(zhì)。在工業(yè)應(yīng)用方面，立方氮化硼（cBN）展現(xiàn)出了多元化的發(fā)展勢頭。除了傳統(tǒng)的切削工具領(lǐng)域外，它還在電子器件制造、光學(xué)元件加工以及鉆探工具等方面發(fā)揮著重要作用。由于其卓越的耐磨性和抗腐蝕性，cBN被廣泛用于制作高速軸承、閥門密封件等機(jī)械部件，在極端環(huán)境下保持長期穩(wěn)定運(yùn)行。此外，在航空航天領(lǐng)域中，cBN以其優(yōu)異的高溫性能和抗輻射特性成為制造火箭發(fā)動機(jī)噴嘴的理想材料之一。隨著新材料技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，“超級硬材料”立方氮化硼正以其非凡特質(zhì)開辟出一個全新的工業(yè)時代。

復(fù)合超硬材料的技術(shù)價值與技術(shù)進(jìn)步

復(fù)合材料的世界是一片充滿活力的領(lǐng)域，其中復(fù)合超硬材料的開發(fā)尤為引人注目。它們通過結(jié)合兩種或多種不同材料的特性來制造出具有獨特性能的新型材料。這種創(chuàng)新技術(shù)不僅涉及到金剛石和立方氮化硼單晶的加工工藝，更是涵蓋了精密的金屬與非金屬黏結(jié)劑的選擇、配比和燒結(jié)過程。在這一過程中，每種原料都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用——金剛石以其極致硬度和熱導(dǎo)率為聚晶復(fù)合材料提供了卓越的耐磨性和抗高溫性；立方氮化硼則以其對鐵族元素良好的化學(xué)穩(wěn)定性展現(xiàn)其在惡劣環(huán)境下的優(yōu)勢應(yīng)用。

隨著超硬材料科學(xué)的不斷發(fā)展，我們已經(jīng)看到了聚晶金剛石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PcBN）等科技產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于各種高端工業(yè)領(lǐng)域。這些制品憑借其無與倫比的性能，在精密加工、高速切削、地質(zhì)勘探等多個行業(yè)展現(xiàn)出了獨特價值。特別是在需要高效率和高精度作業(yè)的環(huán)境中，如航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域，復(fù)合超硬材料因其卓越的物理特性和機(jī)械性能成為了不可或缺的關(guān)鍵因素。此外，隨著技術(shù)的進(jìn)步與研究的深入，在環(huán)保工程、生物醫(yī)療以及新的能源開發(fā)等領(lǐng)域中也涌現(xiàn)出了對復(fù)合超硬材料的需求。它們不僅提升了工業(yè)生產(chǎn)的效率與質(zhì)量，更在提升人類生活的質(zhì)量方面發(fā)揮著日益重要的作用。

聚晶金剛石（Polycrystalline Diamond, PCD）的開發(fā)和應(yīng)用，無疑是材料科學(xué)領(lǐng)域的一項革命性突破。這種材料的制作工藝要求極為嚴(yán)格，其生產(chǎn)過程涉及到將微小的金剛石晶粒在高達(dá)5-6 GPa的壓力和1300-1600攝氏度的高溫條件下聚合成長大的整體結(jié)構(gòu)。PCD不僅硬度極高，而且抗磨損性能極佳，在很多工業(yè)應(yīng)用中扮演著關(guān)鍵角色。其低熱膨脹系數(shù)使得PCD能夠在極端溫度變化下保持穩(wěn)定，而高導(dǎo)熱性則有助于在高速切削過程中快速散熱，避免了工具過熱的風(fēng)險。此外，在考慮性價比時除了聚晶金剛石的質(zhì)量外，還需注意其他因素如制造工藝、原料來源以及產(chǎn)品規(guī)格等。細(xì)致評估這些要素對于優(yōu)化成本效益具有重要意義。

在競爭激烈的市場環(huán)境中，選擇性價比高的PCD產(chǎn)品不僅可以顯著提高生產(chǎn)效率和降低運(yùn)營成本，還可增強(qiáng)企業(yè)在市場上的競爭力。因此，在采購聚晶金剛石產(chǎn)品時進(jìn)行綜合考量非常必要，并確保所選材料能夠符合特定應(yīng)用需求與長期服務(wù)壽命的要求。要進(jìn)一步增強(qiáng)PCD的性能和適用性，目前的研究仍在不斷探索新的合成方法和技術(shù)改良方向。例如通過添加不同比例的其他材料或采用納米技術(shù)來創(chuàng)造更為高性能的產(chǎn)品序列。此外，在3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)的推動下，有望實現(xiàn)對聚晶金剛石制品形狀、尺寸及特性更精細(xì)的設(shè)計和控制。

聚晶立方氮化硼（PcBN）作為一種超硬材料，其研發(fā)和應(yīng)用已成為工業(yè)制造領(lǐng)域的一大突破。這種材料的制造過程非常復(fù)雜，需要將立方氮化硼顆粒與特種結(jié)合劑如碳氮化鈦（TiCN）在高溫高壓下進(jìn)行燒結(jié)。這一過程不僅要求精確控制燒結(jié)條件，還需要對原材料進(jìn)行精細(xì)篩選和處理，以確保最終產(chǎn)品的性能達(dá)到最優(yōu)。經(jīng)過優(yōu)化合成的PcBN具有極高的硬度（3000至5000 HV），這使得它能夠在高速切削加工中表現(xiàn)出色，輕松應(yīng)對各種硬質(zhì)合金難以加工的材料。除了硬度之外，PcBN還具有卓越的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和耐磨性。它能承受高達(dá)1400至1500攝氏度的極端溫度而不發(fā)生性能衰減，這使得它在高溫環(huán)境下的應(yīng)用成為可能。同時，PcBN的低摩擦系數(shù)（0.1至0.3）有助于減少切削過程中的磨損和熱量產(chǎn)生，進(jìn)一步提高加工效率和精度。此外，其高耐磨性也使得PcBN刀具具有更長的使用壽命，在精密制造過程中發(fā)揮重要作用。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的日益拓展，PcBN的應(yīng)用已經(jīng)不僅限于傳統(tǒng)的金屬切削加工。航空、汽車制造等高精尖行業(yè)也開始廣泛使用這種材料來提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在這些高端領(lǐng)域中，對材料的性能要求極高，而PcBN以其無與倫比的優(yōu)勢滿足了這些需求。從航空航天器的關(guān)鍵零件到豪華汽車的動力系統(tǒng)部件，都可以看到這種材料的身影。總之，聚晶立方氮化硼（PcBN）以其卓越的性能優(yōu)勢，在工業(yè)領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。無論是面對復(fù)雜多變的工作條件還是要求極高的精度標(biāo)準(zhǔn)，都能夠輕松應(yīng)對，并為現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

7.13

超硬材料：前沿科技與工業(yè)應(yīng)用的融合

在材料科學(xué)的世界里，新領(lǐng)域的探索總是讓人充滿激動和好奇。超硬材料，這個不斷進(jìn)化的領(lǐng)域，正在揭開使用碳、硼、氮、氧等輕元素原子構(gòu)造出獨特結(jié)構(gòu)的新篇章。我們不僅見證了這些元素如何單獨制成令人驚嘆的單質(zhì)，還發(fā)現(xiàn)了它們與貴金屬相結(jié)合時所迸發(fā)的全新特性。這些新型材料不僅包括了具有驚人硬度和獨特光學(xué)性質(zhì)的富勒石（fullerite），還包括了氮化碳(C3N4)這一硬度極高的物質(zhì)，纖鋅礦型氮化硼（wurtzite boron nitride, WBN）以其獨特的晶體結(jié)構(gòu)贏得了科學(xué)家的關(guān)注，并與郎斯代爾石（lonsdaleite）一同被譽(yù)為自然界最硬的物質(zhì)之一。此外，異質(zhì)金剛石(c-BC2N)以及金屬硼化物的獨特物理性能為超硬材料家族增添了新的成員。他們的原子通過強(qiáng)共價鍵緊密連接在一起，形成了一個堅固而精細(xì)的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了新材料無與倫比的力量和抗力能力，在抵御外部壓力方面表現(xiàn)出色。因此，在航天軍工領(lǐng)域中這些超硬材料成為了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)性組成部分，提供了前所未遇的高強(qiáng)度保障。而在深科鉆探領(lǐng)域中，則利用它們長壽命的特性創(chuàng)造了新的極限條件下使用的解決方案。 

隨著對這些卓越性能的研究日益深入和廣泛應(yīng)用技術(shù)的成熟度提高，我們對未來科技的發(fā)展充滿了無限的期待和憧憬。每一次新材料的研發(fā)成功都可能為工業(yè)生產(chǎn)帶來革命性的變革，并推動社會向更加高效、節(jié)能、環(huán)保的方向前進(jìn)。探索未知的世界是一個永無止境的過程，在這些超硬材料背后蘊(yùn)藏著未來的無限可能和潛力等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和挖掘。隨著人類對于物質(zhì)特性的認(rèn)知不斷拓展，一系列獨特的化學(xué)合成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生以實現(xiàn)更復(fù)雜的分子設(shè)計并提升其環(huán)境適應(yīng)性和功能性應(yīng)用范圍——這不僅僅是為了科學(xué)研究的進(jìn)步本身，更是為了推動現(xiàn)實世界中的工業(yè)制造和社會進(jìn)步朝著更加可持續(xù)和諧發(fā)展的未來邁進(jìn)。