中國粉體網(wǎng)訊
我們先從超硬材料說起,。
顧名思義,，超硬材料是硬度極高的材料,，通常是指金剛石和立方氮化硼（cBN）,，或由這兩種材料為主要成分分別制成的復(fù)合材料,。即便是剛玉,、SiC,、硬質(zhì)合金、高速鋼這四類號稱“工業(yè)牙齒”的硬質(zhì)材料也未被稱為超硬材料,。
立方氮化硼,，圖片來源：中南杰特
01.金剛石，超硬領(lǐng)域的老大哥
金剛石是碳的單質(zhì)，與石墨同為碳的同素異體,。金剛石是典型的原子晶體,，其原子以四面體結(jié)構(gòu)連接，在它的晶體結(jié)構(gòu)中,，碳原子呈高度對稱排列,，屬等軸晶系。金剛石中碳原子的電子層軌道結(jié)構(gòu)為1S22S22P2,，每個(gè)碳原子都通過sp3鍵雜化與其周圍的4個(gè)碳原子形成非極性共價(jià)鍵,，鍵角為109°28′，鍵長為1.54450Å,，鍵能為347.5KJ/mol,，碳原子的配位數(shù)為4，碳原子均處于飽和成鍵狀態(tài),，金剛石中無自由電子,，故金剛石不導(dǎo)電。金剛石的晶胞結(jié)構(gòu)屬于面心立方結(jié)構(gòu),，單個(gè)晶胞8個(gè)碳原子,，其晶格常數(shù)為3.56683Å。
正是因?yàn)榻饎偸逆I長短,，鍵能高,，才使得金剛石成為了自然界中最硬的物質(zhì)（莫氏硬度為10）。天然金剛石早在公元前3000年就在印度被人們所認(rèn)識,。在公元５世紀(jì)以前,，希臘人對金剛石的硬度也有了一定的認(rèn)識，金剛石在希臘語中的含義是“不可戰(zhàn)勝的”或“不可克制的”,。
在工業(yè)上,，憑借超高的硬度，金剛石被譽(yù)為“最硬最鋒利的工業(yè)牙齒”,，航空航天,、國防軍工以及光伏與電子信息等領(lǐng)域里的各種材料高難加工難題，在它面前都迎刃而解,。
02.有金剛石了,，為什么還要做立方氮化硼？
氮化硼是由B和N以SP3雜化形成的晶體,，與金剛石結(jié)構(gòu)相似,，為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于等軸晶系,，空間群為F43m,�,；瘜W(xué)組成為43.6%的B和56.4%的N，具有四種不同的變體,。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的六方氮化硼（hBN）,、菱方氮化硼（rBN）、立方氮化硼（cBN）和密集六方氮化硼（wBN）,，立方氮化硼結(jié)構(gòu)圖如下圖所示,，每一層都是相同的原子（B或N）緊密堆積而成，原子層以ABCABC……排列,，晶格常數(shù)為a=0.3615nm±0.00001nm,，與金剛石的晶格常數(shù)相近，N和B原子間距為0.157nm,，密度為3.48g/cm3,；在cBN晶格中，B-N的鍵長為0.157nm,，B-N鍵的鍵角為109°5′,。
cBN晶體結(jié)構(gòu)圖
cBN具有很高的硬度，其莫氏硬度為9.8-10,，顯微硬度為71540-98000MPa,，盡管如此，其硬度仍然略低于金剛石,。
立方氮化硼與金剛石的性能對比
但是,，對金剛石而言，只有硬,，并不能應(yīng)對所有的應(yīng)用,。
一方面,，由于金剛石的熱穩(wěn)定性較差,，在大氣中達(dá)到600°C時(shí)就發(fā)生氧化，在真空中達(dá)到1300℃~1400℃就會轉(zhuǎn)變?yōu)槭�,，而cBN的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于金剛石,，主要是由于在空氣或者O2氣氛中，cBN與O2反應(yīng)生成的B2O3阻止cBN的進(jìn)一步氧化,。此外,，真空中立方cBN轉(zhuǎn)化為hBN的臨界溫度為1773K-1873K，而在5-6GPa的強(qiáng)脈沖加熱條件下,，轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)的臨界溫度為3400-3500K,，因此cBN一般不會轉(zhuǎn)變?yōu)閔BN。
另一方面,，金剛石在溫度達(dá)到700℃時(shí)開始溶解于鐵或鐵合金,，而cBN化學(xué)穩(wěn)定性較好，在1150℃以下不與鐵系金屬反應(yīng)，因此,，金剛石工具也僅可加工非金屬材料及一系列有色合金,，cBN的應(yīng)用便是主要填補(bǔ)金剛石這些空缺，特別適合加工各種淬硬鋼,、冷硬鋼等難加工材料,。
03.立方氮化硼的應(yīng)用
cBN單晶熱導(dǎo)率可高至1300W·m-1·K-1，而立方氮化硼/金剛石界面室溫理論熱導(dǎo)率更是能夠達(dá)到Si/金剛石界面的10倍,，因此是理想的導(dǎo)熱材料,。同時(shí)立方氮化硼擁有6.4eV的超寬禁帶和極高的巴利加優(yōu)值（越高性能越好），天生就是造高功率芯片的料,，在大功率高溫電子器件極具前景,。但是目前行業(yè)仍然缺乏高質(zhì)量、大尺寸,、低成本的單晶制造技術(shù),。目前主要還是應(yīng)用在超硬領(lǐng)域。
幾種超硬材料制品及工具的圖像（ａ．刀片,；ｂ．砂輪,；ｃ．鋸片；ｄ．鉆頭）
（1）立方氮化硼磨具
cBN磨具是用不同類型的結(jié)合劑將cBN磨料粘接在一起并制成一定形狀的一種工具,，具有極高的使用壽命,，被稱作“半永久性磨具”�,？煞譃榻饘俳Y(jié)合劑磨具,、樹脂結(jié)合劑磨具、電鍍結(jié)合劑磨具,、陶瓷結(jié)合劑磨具四類,。這四種磨具中，陶瓷cBN磨具磨削效率高,，形狀保持性好,，耐用度高，易于修整,，使用壽命長,，因而成為高效、高精度磨削的首選磨具,。
cBN磨具應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,，已推廣到軸承、汽車,、機(jī)床,、壓縮機(jī)等行業(yè)中普通黑色金屬材料的加工,。使用過程中大余量粗精磨一次完成，使磨削工件表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)從而提高工件20％～30％的使用壽命,，綜合降低磨削成本10％以上,。
（2）立方氮化硼刀具
由于受cBN制造技術(shù)的限制，目前制造直接用于切削刀具大顆粒的cBN仍很困難,，為此PCBN（Polycrystalline cubic boron nitride）聚晶cBN得到了很快發(fā)展,。PCBN是在高溫高壓下將微細(xì)的cBN材料通過結(jié)合相燒結(jié)在一起的多晶材料，其組織中各微小晶粒呈無序排序,，硬度均勻,、沒有方向性，克服了單晶cBN易解理和各向異性等不足,。
PCBN刀具有3種結(jié)構(gòu)形式：整體PCBN刀具,、PCBN復(fù)合刀片及電鍍立方氮化硼刀具，以PCBN復(fù)合刀片應(yīng)用最為廣泛,。PCBN復(fù)合刀片是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)或壓制一層0.5～1mm厚的PCBN而成的,，解決了cBN刀片抗彎強(qiáng)度低和焊接困難等問題，既能勝任淬硬鋼,、軸承鋼,、高速鋼、工具鋼,、冷硬鑄鐵的粗車和精車,，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料,、硬質(zhì)合金及其他難加工材料的高速切削加工,，是實(shí)現(xiàn)以車代磨的最佳刀具之一。
04.國產(chǎn)盤子大,，但不精
目前我國立方氮化硼產(chǎn)業(yè)可以說是“國產(chǎn)盤子大,，但不精”。
自1966年11月,，鄭州磨料磨具磨削研究所便成功生產(chǎn)中國第一顆立方氮化硼,，此后20多年中，發(fā)展并不盡人意,，產(chǎn)品品種少、品級不高,、合成技術(shù)進(jìn)展緩慢,，彼時(shí)國內(nèi)只有第六砂輪廠、哈爾濱砂輪廠,、天津宏坁232廠,、遼寧金剛石廠,、北京燕郊金剛石工業(yè)公司、鄭州磨料磨具磨削研究所等,。此后,，隨著國內(nèi)合成法日漸成熟，加之原料六方氮化硼價(jià)格下降,，立方氮化硼整體成本隨之下降,，國產(chǎn)立方氮化硼得到極大發(fā)展。
位于河南省鄭州市華山路原鄭州磨料磨具磨削研究所的大門及門牌
現(xiàn)如今,，國內(nèi)立方氮化硼行業(yè)龍頭企業(yè)就有三家以上,，包括河南富耐克、中南杰特,、河南飛孟,、鄭州沈發(fā)、開封貝斯科,、信陽德隆等,。不止如此，如今國內(nèi)的能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品品種已多于國外公司,，如果算上派生產(chǎn)品或定制產(chǎn)品會更多,。
幾個(gè)生產(chǎn)廠家CBN基本產(chǎn)品系列
目前，我國已是全球最大超硬材料生產(chǎn)國,，其中立方氮化硼占全球70%以上,，每年45%產(chǎn)量被出口到海外市場，磨料級立方氮化硼單晶產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的60%以上,。
從生產(chǎn)規(guī)模來看,，立方氮化硼單晶年產(chǎn)量國內(nèi)穩(wěn)定在6億克拉以上；立方氮化硼微粉產(chǎn)量隨著精密,、超精密加工及聚晶立方氮化硼（PCBN）穩(wěn)步提高,，年產(chǎn)1億克拉以上；立方氮化硼鍍覆產(chǎn)品作為派生品種年產(chǎn)量近1億克拉,。
雖然市場一片繁榮,，但國內(nèi)產(chǎn)品仍然集中在中低端，無法生產(chǎn)高端制品所需的50目以上的高品質(zhì)立方氮化硼單晶,，很大一部分依賴進(jìn)口,，產(chǎn)品單價(jià)和附加值高的超硬復(fù)合材料主要由DI、元素六,、日本住友,、韓國日進(jìn)等公司所控制。與此同時(shí),，從產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域市場銷售量,、產(chǎn)品質(zhì)量水平上相比,，國內(nèi)也存在一定差距。
此外,，從細(xì)分市場來看,，復(fù)合式焊接立方氮化硼刀具全球主要廠商為元素六、DI,、MegaDiamond,、住友、日進(jìn)等企業(yè),，聚晶立方氮化硼刀具領(lǐng)域河南企業(yè)則在全球具備明顯優(yōu)勢,。
未來，無論是在向新領(lǐng)域滲透或是產(chǎn)品質(zhì)量提升方面,，我國的立方氮化硼產(chǎn)業(yè)仍有很長的路要走,。
參開來源：
[1]張旺璽等.超硬材料合成方法、結(jié)構(gòu)性能,、應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀
[2]付斌.菜刀是超硬材料走過的一段彎路嗎,？.果殼
[3]王光祖等.中國立方氮化硼產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況與展望
[4]馬金明等.聚晶立方氮化硼材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進(jìn)展
[5]孫坤.聚晶立方氮化硼的制備及機(jī)械性能研究
[6]李重陽.立方氮化硼的性能和應(yīng)用
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除
