我們先從超硬材(cai)料說(shuo)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合材料。即便是剛玉、SiC、硬質合金、高速鋼這(zhe)四類(lei)號稱(cheng)“工業牙(ya)齒”的硬質材料也未被稱(cheng)為超硬材料。

       金剛石，超硬領域的老大哥

       金(jin)剛(gang)石(shi)是(shi)(shi)碳(tan)的(de)(de)(de)單(dan)質，與(yu)石(shi)墨同為(wei)碳(tan)的(de)(de)(de)同素異體。金(jin)剛(gang)石(shi)是(shi)(shi)典型的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)晶(jing)體，其原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)以四面體結構(gou)(gou)連接，在它(ta)的(de)(de)(de)晶(jing)體結構(gou)(gou)中，碳(tan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)呈高度對稱排列，屬等(deng)軸晶(jing)系(xi)。金(jin)剛(gang)石(shi)中碳(tan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)電子(zi)(zi)(zi)(zi)層軌道(dao)結構(gou)(gou)為(wei)1S22S22P2，每個(ge)碳(tan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)都(dou)通過sp3鍵(jian)雜化與(yu)其周圍的(de)(de)(de)4個(ge)碳(tan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)形(xing)成非極(ji)性共價(jia)鍵(jian)，鍵(jian)角為(wei)109°28′，鍵(jian)長為(wei)1.54450?，鍵(jian)能為(wei)347.5KJ/mol，碳(tan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)配(pei)位數(shu)為(wei)4，碳(tan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)均處于飽和成鍵(jian)狀態(tai)，金(jin)剛(gang)石(shi)中無自(zi)由(you)電子(zi)(zi)(zi)(zi)，故金(jin)剛(gang)石(shi)不導電。金(jin)剛(gang)石(shi)的(de)(de)(de)晶(jing)胞(bao)結構(gou)(gou)屬于面心(xin)立方結構(gou)(gou)，單(dan)個(ge)晶(jing)胞(bao)8個(ge)碳(tan)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)，其晶(jing)格(ge)常數(shu)為(wei)3.56683?。             

       正是因為(wei)金剛(gang)(gang)(gang)石的(de)鍵長(chang)短，鍵能高，才使(shi)得金剛(gang)(gang)(gang)石成為(wei)了自然界(jie)中(zhong)最硬(ying)的(de)物質（莫氏硬(ying)度為(wei)10）。天然金剛(gang)(gang)(gang)石早在(zai)公元前3000年就在(zai)印度被人們(men)所(suo)認識。在(zai)公元５世(shi)紀以前，希臘人對金剛(gang)(gang)(gang)石的(de)硬(ying)度也有了一定的(de)認識，金剛(gang)(gang)(gang)石在(zai)希臘語(yu)中(zhong)的(de)含義(yi)是“不可(ke)戰勝的(de)”或“不可(ke)克制的(de)”。

        在工業上，憑借超高的硬度，金剛石被譽為“最硬最鋒利的工業牙齒”，航空航天、國防軍工以及光伏與電子信息等領(ling)域里的各種材料高難加工難題(ti)，在它面前都迎刃而解。  

       有金剛石了，為什么還要做立方氮化硼？

       氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)(peng)是由B和N以sp3雜(za)化(hua)(hua)(hua)形成的晶體，與金剛石結(jie)(jie)構相似，為(wei)(wei)閃鋅礦(kuang)結(jie)(jie)構，屬于等軸晶系，空間(jian)群為(wei)(wei)F43m。化(hua)(hua)(hua)學組成為(wei)(wei)43.6%的B和56.4%的N，具有四種(zhong)不(bu)同的變(bian)體。纖鋅礦(kuang)結(jie)(jie)構的六方氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)(peng)（hBN）、菱方氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)(peng)（rBN）、立(li)方氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)(peng)（cBN）和密(mi)集(ji)六方氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)(peng)（wBN），立(li)方氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硼(peng)(peng)結(jie)(jie)構圖如(ru)下(xia)圖所示，每一層(ceng)都是相同的原子（B或N）緊密(mi)堆積(ji)而成，原子層(ceng)以ABCABC……排列，晶格常數(shu)(shu)為(wei)(wei)a=0.3615nm±0.00001nm，與金剛石的晶格常數(shu)(shu)相近，N和B原子間(jian)距為(wei)(wei)0.157nm，密(mi)度為(wei)(wei)3.48g/cm3；在cBN晶格中，B-N的鍵(jian)(jian)長為(wei)(wei)0.157nm，B-N鍵(jian)(jian)的鍵(jian)(jian)角為(wei)(wei)109°5′。          

       cBN具有很高(gao)的硬度(du)，其莫氏硬度(du)為(wei)9.8-10，顯(xian)微硬度(du)為(wei)71540-98000MPa，盡管如此，其硬度(du)仍然(ran)略(lve)低于(yu)金剛石。

       立方氮化硼與金剛石的性能對比          

       但是，對(dui)金剛石而言，只有(you)硬，并不能應對(dui)所有(you)的應用。

        一方面，由于金剛石的熱穩定性較差，在大氣中達到600°C時就發生氧化，在真空中達到1300℃~1400℃就會轉變為石墨，而cBN的熱穩定性要優于金剛石，主要是由于在空氣或者O2氣氛中，cBN與O2反應生成的B2O3阻止cBN的進一步氧化。此外，真空中立方cBN轉化為hBN的臨界溫度為1773K-1873K，而在5-6GPa的強脈沖加熱條件下，轉變為六方結構的臨界溫度為3400-3500K，因此cBN一般不會轉變為hBN。

       另一方面，金(jin)(jin)(jin)剛石在溫(wen)度達到700℃時開始溶(rong)解于鐵(tie)或鐵(tie)合(he)金(jin)(jin)(jin)，而cBN化學穩定性較好，在1150℃以下(xia)不(bu)與(yu)鐵(tie)系金(jin)(jin)(jin)屬(shu)反應(ying)，因(yin)此，金(jin)(jin)(jin)剛石工具也僅可(ke)加工非金(jin)(jin)(jin)屬(shu)材料及一系列(lie)有色合(he)金(jin)(jin)(jin)，cBN的應(ying)用(yong)便是主要填補金(jin)(jin)(jin)剛石這(zhe)些空缺，特別(bie)適合(he)加工各種淬硬(ying)鋼、冷(leng)硬(ying)鋼等難加工材料。

       立方氮化硼的應用

      cBN單晶熱(re)導率可高至1300W·m-1·K-1，而立方(fang)氮化(hua)硼(peng)/金(jin)剛(gang)石(shi)界面室(shi)溫理(li)論熱(re)導率更(geng)是能(neng)夠達(da)到(dao)Si/金(jin)剛(gang)石(shi)界面的(de)10倍，因(yin)此是理(li)想(xiang)的(de)導熱(re)材(cai)料。同時立方(fang)氮化(hua)硼(peng)擁有6.4eV的(de)超寬(kuan)禁帶(dai)和極高的(de)巴利(li)加優值(zhi)（越(yue)高性能(neng)越(yue)好），天生(sheng)就是造高功率芯片的(de)料，在(zai)大(da)功率高溫電子器(qi)件極具前(qian)景。但是目(mu)前(qian)行業(ye)仍然缺乏高質量、大(da)尺寸、低成本的(de)單晶制造技術。目(mu)前(qian)主要還是應用(yong)在(zai)超硬領(ling)域。

    （1）立方氮化硼磨具

       cBN磨具是用不同類型的結合劑將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”。可分為金屬結合劑磨具、樹脂結合劑磨具、電鍍結合劑磨具、陶瓷結合劑磨具四類。這四種磨具中，陶瓷cBN磨具磨削效(xiao)率高，形狀保(bao)持性好，耐用度高，易(yi)于修整，使用壽命長，因而成(cheng)為高效(xiao)、高精(jing)度磨削(xue)的首選磨具。

       cBN磨(mo)(mo)具應用(yong)領域不(bu)斷(duan)擴大，已(yi)推廣到軸(zhou)承、汽車、機床、壓縮機等行(xing)業中(zhong)普通黑色金(jin)屬材料的(de)加工(gong)。使(shi)用(yong)過程中(zhong)大余(yu)量粗精磨(mo)(mo)一次完成(cheng)，使(shi)磨(mo)(mo)削(xue)工(gong)件(jian)表面呈壓應力狀(zhuang)態(tai)從而提高工(gong)件(jian)20％～30％的(de)使(shi)用(yong)壽命，綜合降低磨(mo)(mo)削(xue)成(cheng)本10％以上。

     （2）立方氮化硼刀具

      由于受cBN制(zhi)造技術的(de)限制(zhi)，目前(qian)制(zhi)造直接用于切削刀(dao)具大顆粒(li)的(de)cBN仍(reng)很困(kun)難，為此(ci)PCBN（Polycrystalline cubic boron nitride）聚晶(jing)cBN得到了很快(kuai)發展(zhan)。PCBN是在(zai)高溫高壓下將微細的(de)cBN材料(liao)通過結合相(xiang)燒(shao)結在(zai)一起(qi)的(de)多晶(jing)材料(liao)，其組織中各微小晶(jing)粒(li)呈無序排(pai)序，硬度(du)均(jun)勻、沒有(you)方向性，克服了單晶(jing)cBN易解理和各向異性等(deng)不足。

       PCBN刀(dao)(dao)具有(you)3種結構形式：整體(ti)PCBN刀(dao)(dao)具、PCBN復(fu)合(he)(he)刀(dao)(dao)片(pian)及(ji)電鍍立方氮化(hua)硼(peng)刀(dao)(dao)具，以PCBN復(fu)合(he)(he)刀(dao)(dao)片(pian)應用最為廣泛。PCBN復(fu)合(he)(he)刀(dao)(dao)片(pian)是(shi)在強(qiang)度和韌(ren)性較好的(de)硬質合(he)(he)金基體(ti)上燒(shao)結或壓(ya)制一(yi)層(ceng)0.5～1mm厚(hou)的(de)PCBN而成的(de)，解決了(le)cBN刀(dao)(dao)片(pian)抗彎強(qiang)度低和焊接困難等問題，既能勝任(ren)淬硬鋼(gang)、軸(zhou)承鋼(gang)、高(gao)速鋼(gang)、工具鋼(gang)、冷硬鑄鐵的(de)粗車和精車，又能勝任(ren)高(gao)溫(wen)合(he)(he)金、熱(re)噴(pen)涂材(cai)料、硬質合(he)(he)金及(ji)其他難加工材(cai)料的(de)高(gao)速切削加工，是(shi)實現以車代磨(mo)的(de)最佳刀(dao)(dao)具之一(yi)。    

      國產盤子大，但不精

     目前我(wo)國立方氮化硼產業可以說是“國產盤子大，但不(bu)精”。

     自1966年11月，鄭州磨料磨具磨削研究所便成功生產中國第一顆立方氮化硼，此后20多年中，發展并不盡人意，產品品種少、品級不高、合成技術進展緩慢，彼時國內只有第六砂輪廠(chang)、哈(ha)爾濱砂輪(lun)廠(chang)、天(tian)津宏(hong)坁(zhi)232廠(chang)、遼寧金剛石廠(chang)、北(bei)京燕郊(jiao)金剛石工業公司、鄭(zheng)州磨(mo)(mo)料磨(mo)(mo)具磨(mo)(mo)削研(yan)究所(suo)等。此后，隨著國內合成(cheng)(cheng)法日漸成(cheng)(cheng)熟，加之原料六方氮化硼(peng)(peng)價(jia)格下降，立(li)方氮化硼(peng)(peng)整體成(cheng)(cheng)本隨之下降，國產立(li)方氮化硼(peng)(peng)得到極大發展。

        現如今(jin)，國內(nei)立方(fang)氮化硼(peng)行(xing)業龍(long)頭(tou)企業就有三家以上，包括河(he)南富耐克、中南杰特(te)、河(he)南飛(fei)孟、鄭州沈發、開封貝斯科、信陽(yang)德隆等。不止如此，如今(jin)國內(nei)的(de)能(neng)夠生(sheng)產(chan)的(de)產(chan)品(pin)品(pin)種(zhong)已多于國外公(gong)司，如果算(suan)上派生(sheng)產(chan)品(pin)或(huo)定制產(chan)品(pin)會更多。

      目前，我國已是全球最(zui)大超硬材料生產(chan)國，其中立方(fang)氮(dan)化硼(peng)占全球70%以(yi)上，每年(nian)45%產(chan)量(liang)被(bei)出口到海外(wai)市(shi)場，磨料級立方(fang)氮(dan)化硼(peng)單晶產(chan)量(liang)占全球總產(chan)量(liang)的60%以(yi)上。

        從生產(chan)規模來看，立方氮(dan)(dan)化(hua)硼單晶(jing)年(nian)(nian)產(chan)量(liang)國內(nei)穩定(ding)在6億克拉以上；立方氮(dan)(dan)化(hua)硼微(wei)粉產(chan)量(liang)隨著精密、超精密加工及聚晶(jing)立方氮(dan)(dan)化(hua)硼（PCBN）穩步提高，年(nian)(nian)產(chan)1億克拉以上；立方氮(dan)(dan)化(hua)硼鍍覆產(chan)品(pin)作為派生品(pin)種年(nian)(nian)產(chan)量(liang)近1億克拉。

       雖然市場一片繁榮，但(dan)國(guo)(guo)內產(chan)品仍然集中在中低端(duan)，無法生(sheng)產(chan)高端(duan)制品所需的50目以上的高品質(zhi)立方氮化硼單(dan)晶，很大(da)一部分(fen)依(yi)賴進口(kou)，產(chan)品單(dan)價和附(fu)加值高的超(chao)硬復合材料主要由DI、元素六(liu)、日本(ben)住友、韓國(guo)(guo)日進等公司(si)所控(kong)制。與此同時，從產(chan)品應(ying)用領域市場銷售量、產(chan)品質(zhi)量水平上相比，國(guo)(guo)內也存在一定(ding)差距。   

         此外，從細分市場來看(kan)，復(fu)合式(shi)焊接(jie)立方氮化硼刀具(ju)全球(qiu)主要廠(chang)商(shang)為(wei)元(yuan)素六、DI、MegaDiamond、住友、日進(jin)等企業，聚晶立方氮化硼刀具(ju)領(ling)域(yu)河(he)南企業則(ze)在全球(qiu)具(ju)備明顯(xian)優勢。

 ;        未(wei)來，無(wu)論(lun)是在向新領域滲透或是產品質量提升(sheng)方(fang)面，我(wo)國的(de)立方(fang)氮化硼產業仍有(you)很長的(de)路(lu)要走。

        參考(kao)來源(yuan)：

        [1]張(zhang)旺璽等.超硬材料合成方法、結構性能、應用及發展現(xian)

        [2]付斌.菜刀是超硬材料走過的一段彎路(lu)嗎？.果殼

        [3]王光(guang)祖等.中國立方氮化硼(peng)產業發展概況(kuang)與(yu)展望

        [4]馬金明等.聚(ju)晶立(li)方氮化硼材(cai)料國內外研究現狀與進展

        [5]孫坤(kun).聚晶立方氮(dan)化(hua)硼(peng)的(de)制備及機械性能研究

        [6]李重陽(yang).立方(fang)氮化(hua)硼的性能和應(ying)用