除了金刚石，你还知道哪些超硬材料？

顾名思义，超硬材料是硬度极高的材料。通常来说，金刚石的硬度最高，莫氏硬度为10，cBN的硬度稍次于金刚石，所以超硬材料通常是指金刚石和cBN，或由这两种材料为主要成分分别制成的复合材料。

　　作为“工业牙齿”应用的四类硬质材料刚玉、SiC、硬质合金、高速钢的硬度，远低于金刚石和cBN的硬度，因此超硬材料又被称为最硬最锋利的“工业牙齿”或“材料之王”。

　　超硬材料的结构与性能

　　1、金刚石的结构与性能

　　同其他碳材料一样，金刚石的主要化学元素组成是碳。无论是天然金刚石，还是人造金刚石，但无论那种金刚石都会含 有或多或少的杂质。金刚石一般都含有氮杂质，根据 金刚石晶体内氮元素含量的差异，金刚石可以分为两种类型（Ⅰ型金刚石和Ⅱ型金刚石）。

　　

　　金刚石的分类

　　

　　金刚石的杂化轨道电子云分布、原子结构和晶胞结构

　　近年来，碳材料是一类非常具有研究热点的材料。21世纪也被称为“碳时代”。碳材料以其优异出 众的性能被广泛应用于各个领域，尤其是在国家战略 性新兴产业中的应用，石墨烯及碳纳米材料、碳纤维 及其复合材料、金刚石、碳基薄膜和传统碳材料（炭 黑、多孔碳、石墨、特种石墨等）在锂电、电容器、储能、 光伏、半导体、光电显示、５Ｇ 通讯、传感器、通用航空、 未来交通、高端装备等领域应用前景广阔

　　2、cBN的结构与性能

　　立方氮化硼（cBN）是第二大品种的超硬材料。氮化硼的化学结构式是 BN，由硼元素和氮元素两种元素组成。氮化硼具有四种不同的晶体结构，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 方式杂 化 ， 而 cBN 和 wBN 中 氮原子和硼原子以 SP3 方式杂 化。

　　

　　某公司几种不同牌号的cBN单晶（来源于该企业网站）

　　cBN 的硬度略低于金刚石， 颜色多样，晶体颜色与所含杂质种类、 数量有关。cBN 具有独特的光电特性， 合成大尺寸、高质量 cBN 单晶是获得功能器件应用的必然选择，可是 cBN 晶体的大尺寸化远没有金刚石做得成功，这也许是因为合成大颗粒cBN的条件更苛刻，其应用也没有找到合适领域的缘故。

　　超硬材料的应用

　　1、超硬材料制品的主要品种

　　超硬材料及其制品工具在工业中已经获得广泛应用，不仅解决了用传统工具无法加工或难以加工的难题，还明显提高了传统加工效率，明显降低消耗及废物排放。

　　

　　几种超硬材料制品及工具（a.刀片；b.砂轮；c.锯片；d.钻头）

　　超硬材料制品及工具主要品种有锯切工具、 磨具（包括固结磨具、涂附磨具和松散磨具）、切削刀 具、钻探工具、修整工具、拉丝模具、其他工具及不同 的功能元器件。

　　2、天然钻石和人造钻石

　　（1）天然钻石

　　采用天然金刚石得到的钻石称天然钻石。天然钻石璀璨、华丽、稀有、珍贵，被人们 视为珍爱之物。有一句广告语“钻石恒久远，一颗永流传”在我国妇孺皆知。

　　

　　

　　

　　

　　天然金刚石除用作为饰品以外，更多的是工业应用。金刚石的工业用途长期以来是利用其特别高的硬度，切割玻璃的金刚石刀使我们联想到：采用金刚石来制备钻头用于地质勘探和石油、煤炭开采。金刚石在高温下会与氧发生不同程度的氧化反应，特别 是与铁亲和性好，不适合用于黑色金属加工。

　　（2）人造钻石

　　人造钻石，行业内又常称为实验室合成钻石，或培育钻石。大颗粒或大单晶的人造金刚石已经用于加工合成钻石饰品。

　　

　　人造钻石也是货真价实的钻石，成分、结构与天然钻石完全相同。两者只能通过非常特殊的方式区分，比如在阴极发光仪下，前者的生长纹理呈几何状，而后者呈环带状。从2006 年开始，GIA 等珠宝机构开始提供鉴定服务并发放证书，主要为了防止商家用价格较低的合成钻石冒充天然钻石销售。

　　

　　过去，钻石行业的研究人员一直在寻找高效合成人造钻石的方法，但一直未有突破性进展，其两大主要障碍来自于成本和生产两方面的因素。经过数十年的研究，现在静态触媒条件下超高压高温法合成金刚石大单晶技术已经成熟。

　　我国在超高压高温法合成的人造钻石大单晶，以及采用微波等离子体CVD法合成人造钻石的技术开发和应用方面都取得了快速的发展，已经有合成钻石饰品在市场上销售，并初具市场规模。

　　3、cBN 的主要应用

　　cBN 与金刚石相比有独有的优点，如高热稳定性，与铁族系元素化学惰性。

　　cBN 的用途目前主要有两个方面，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 加工黑色金属材料有独到之处，为硬而韧的难加工铁基材料提供了新的加工工具。

　　cBN 的主要应用如下：

　　（１）用作磨具材料。既能用于铁基材料的加工，也能用于非铁金属材料的加 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 单晶制备的微粉，通过添加碳化钛、 钴等粘接剂，再用六面顶压机经高压高温烧结制得 的。对铁族金属及其合金的加工特别有效，特别适合于高速切削和干式切削，并实现了以车代磨， 以铣代磨，大幅度提高了生产效率。

　　

　　（３）用作功能材料。高导热性 cBN 可以应用在光电功能器件上。

　　超硬材料是众多不同材料中的一个小品种，但它却是一种不可替代材料，并将可能逐步部分代替其他一些材料。

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