超硬材料工業發展的展望

進入21世紀，現代科學技術和現代工業發展日新月異，超硬材料應用領域將越來越寬廣。在取得輝煌成就的同時，也要清醒地認識到與世界的差距。回顧50年，展望未來，特提出以下展望，為早日實現中國超硬材料強國夢而共同努力!

一、戰略方向

1、轉變發展方式，調整產品結構，多品種、多規格發展，大力加強制品開發研究，著力應用技術研究，以適應多元市場的需求。

2、大力培肓我國的民族品牌，積極爭取更多的國際超硬材料話語權。

3、加強超硬材料光、聲、熱、電等功能的開發應用;積極開展更髙壓力下(10GPa以上)合成超硬新材料的研究。

4、 健全標准體系、技術規範、檢測方法和認證機制，進一步完善超硬材料及制品標准的研究、制訂、推廣，與國際接軌。

5、加強企業技術創新基礎能力建設，推動產學研結合，建立技術創新聯盟，引領產業發展。

6、加強創新人才隊伍建設，促進知識創新和技術創新，重視高端人才的培養和引進，建立健全行業人才服務體系。

二、技術趨勢

1、材料

(1)CVD材料產業化

CVD金剛石薄膜生長技術的研究始於上世紀80年代中期，從90年代後期至今，各類用途的CVD金剛石材料及其制品已經開始工業化生產，其應用前景和潛在市場極為廣泛。

CVD金剛石已成為加工業、汽車、信息、能源領域以及國防、軍工和尖端技術的關鍵材料。因此，加快CVD生長技術研究及其產業化，是我行業當前急需解決的現實問題。

(2)金剛石的功能性研究與應用

金剛石除了優異的機械性能外，還具有很多卓越物理化學性能。如：金剛石的導熱性好，可用於微波器件、大功率固體激光器、散熱片和大規模集成電路等;金剛石晶體的電子親和勢小，是理想的場發射陰極材料，可用於冷陰極場發射器件;同時金剛石又是一種寬帶(Eg=5.5eV)、擊穿電壓(107V)和飽和電流(2.7×107cm s-1)都遠遠高於Si、 GaAs、 InP等常用的半導體材料，結合其優異的高溫性能，在微電子領域，基於金剛石的集成電路是現有矽基集成電路強有力的競爭者。用金剛石制造的對頂砧(DAC)是高壓物理、高壓化學研究不可缺少的手段;金剛石從深紫外到遠紅外全透明，可應用於巡航導彈紅外探測器的窗口、激光窗口材料、透鏡材料，和光學保護塗層;還可用來作半導體熱阱、熱敏電阻及高靈敏溫度計。加強金剛石功能性研究與應用是行業未來可持續發展的技術保障。

(3)立方氮化硼的功能性研究與開發

立方氮化硼晶體(CBN)具有6.4eV最寬的直接帶隙，是一種十分優異的半導體材料，它在高溫高功率寬帶器件微電子學領域有著廣泛的應用前景。立方氮化硼能產生二階非線性光學效應，可以用於光的高次諧波發生器、電光調制器、可見-紫外光轉換器、光學整流器、光參量放大器等等。此外，立方氮化硼與金剛石一樣還具有很強的抗輻射能力，可用於抗輻射器件。因此，對立方氮化硼材料功能性的研究與開發有著重要的現實意義。

(4)高端PDC急待突破

目前國內PDC總體有了明顯的進步，可供拉絲模、煤田鑽采、和一般的石油鑽采用。但大直徑PDC、深孔鑽進用PDC，高速、高壽命刀具PDC還無法與國外競爭，我國髙端PDC仍然靠進口，這種局面必須盡快解決。

(5)新型超硬材料的研究

尋找高硬度、高化學惰性和高熱穩定性的新型類超硬材料是超硬材料研究領域的熱點問題。如果從理論設計的角度出發設計新型超硬材料，再通過實驗進行驗證能夠開發出新型的超硬材料，將使它兼有金剛石和立方氮化硼這兩種超硬材料的優點，克服它們的缺點，必然將成為新一代的超硬材料，具有廣闊的應用前景。

(6)寶石級金剛石的研發

20年來，寶石級金剛石合成技術方面取得了長足的進展。1990年，日本的住友電氣公司，用大晶種方法生長出9克拉Ib型金剛石單晶，生長速度提高到15mg/h;1996年，De Beers公司用1000h合成出重量達25克拉的優質Ib型金剛石單晶，代表了當今寶石級金剛石的培育最高技術水平。美國卡內基研究院地球物理實驗室於1998年開始CVD單晶金剛石培育技術的開發，2004年生長出對角長10mm、厚4.5mm的單晶金剛石，生長速度100μm/h、最高速度達到300μm/h，所得到的單晶呈褐色，經高溫高壓處理後為無色，2005年生長出10克拉的透明單晶金剛石。

(7)納米金剛石產業化及應用開發

納米金剛石除了具有金剛石的一般特性外，同時還具有納米材料的特性，在複合鍍層、研磨、拋光、潤滑、密封、高強樹脂和橡膠等領域得到了廣泛的應用，顯示出良好的應用前景，我們必須高度重視納米金剛石產業化及其應用，同時關注納米立方氮化硼的研發。

(8)加速原輔材料的改進與研發

傳壓介質、頂錘壓缸、觸媒合金、炭源材料及氮化硼原料是超硬材料生產不可或缺的五大支柱，為了適應我國超硬行業可持續發展的需要，必須加速原輔材料的改進與研發，抓緊研制新型傳壓介質、納米—亞納米鐵基制品金屬粉、新型炭源材料及優質氮化硼，特別是硬質合金件的配套跟進尤為重要。

2、制品

(1)高檔超硬材料刀具的開發與應用

超硬刀具符合現代高速、高效、高穩定性、低成本以及低碳環保的要求，是一種理想的綠色切削刀具，在汽車、航天航空、能源、軍工、機械等領域發揮著重要的作用。現代制造技術和難加工材料的發展推動著刀具技術正向著高速切削、高精度和硬態幹式切削的方向發展。開展高性能的PDC、PCBN刀坯材料的研究、精密PDC刀具、金剛石單晶刀具與PCBN刀具的制造技術及其應用技術的研究，是超硬材料刀具開發與應用的重要任務。

(2)深層油(氣)鑽采用PDC切削齒和深孔地礦勘探鑽頭的研發

鑽探用金剛石/硬質合金切削齒(PDC)引起了石油天然氣鑽采行業的一場技術革命。由於淺層油氣資源的可采儲量越來越少，人們不斷探索更深地層儲藏的石油天然氣。以往的油井井深多為1000——2000m，如今3000——4000m井深成為主流，有的石油深井甚至已達7000m。鑽井越深，所處地層受上部地層的壓力越大，岩石越致密，鑽進難度越大，提升PDC品質就顯得尤為重要。海洋鑽探、采油氣(包括可燃冰)是未來能源新的戰場。這些鑽頭對PDC的技術要求更高，更應引起足夠重視。

開發固體礦產是我國經濟發展的重要命脈之一。由於采礦技術的限制，以前我國固體礦產資源采礦深度一般均不到500m，現在采礦深度已達1000-1200m，國家要求找礦勘探深度達到1500-2500m。因此，就固體礦產資源勘探而言，開發深孔鑽頭是目前重大的攻關課題。

(3)新型金剛石有序排列鋸切工具和薄壁鑽以及金剛石繩鋸

高效耐用的有序分布規則排列金剛石鋸切工具和薄壁鑽的開發及產業化

鋸切工具和薄壁鑽工具是金剛石制品中用量最大的一類，其節塊中金剛石有序分布代替隨機無序分布，可顯著提高鋸片和薄壁鑽工作效率和使用壽命，是世界上近年的新進展。有序排列金剛石鋸片和薄壁鑽制造技術與專用工藝裝備的開發和產業化，是金剛石制品重要發展方向之一。

新型金剛石繩鋸的推廣應用

金剛石繩鋸在礦山開采中替代傳統的打眼放炮的方式，可以大量節省石材資源，目前正處於產品發展和推廣應用階段。細直徑小規格的高效精密加工用金剛石繩鋸的開發和產業化，應當優先考慮。

超硬塗附磨具的開發及其產業化

我國是塗附磨具的生產大國，但超硬材料塗附磨具所占比例甚小，為適應現代磨削技術的發展、硬脆材料磨削和拋光加工的需要，必須大力開發超硬材料塗附磨具，並使其產業化。

高效耐用金剛石線鋸的開發及產業化

半導體、光伏和LED照明領域的矽/藍寶石材料的切割加工發展，使得金剛石線鋸逐漸顯現出一系列無可比擬的優點：加工表面損傷小、撓曲變形小、省材料、效率高。為此，作為半導體、光伏、LED照明材料的生產大國，必須加快高效耐用金剛石線鋸的開發及產業化。

高檔陶瓷立方氮化硼砂輪的研制與產業化

陶瓷立方氮化硼砂輪是高速、高效、高精度、低磨削成本、低環境汙染的高性能磨具，成為世界上競相研究開發的熱點和當代磨具產品發展的一個重要方向。在美國、日本、德國、英國等工業發達國家的航天航空、軸承、汽車、工具等行業已進入規模應用或普及階段。因此，必須加大高檔CBN陶瓷砂輪的研究與開發的力度，擴展其應用領域。

金剛石工具新技術的開發與應用

為實現大力發展制品的目標，提高制品的質量檔次，需要加強以下基礎工作的研究與開發：

A、原材料處理與控制技術與裝備，包括磨料表面的處理技術、結合劑(胎體材料)的細化技術，凃附磨具基材處理技術，以提高結合劑(胎體材料)的性能及其與磨料、基材的結合強度。

B、新型結合劑(胎體)，提高對磨料的把持力，從而提高使用壽命和加工效率。例如，具有優良綜合性能的複合結合劑(樹脂-金屬、陶瓷-金屬等)、代鈷結合劑、填料改性技術等。

C、精密均勻成型技術與裝備，該類技術是提高制品內在質量的基礎之一，包括高效率的磨料均勻分布及有序排列技術、小直徑高厚度的細長工具的精密成型技術、電鍍制品的上砂控制技術(磨料的濃度和均勻性)、塗附磨具的均勻植砂與塗膠技術。

D、高效、節能燒結技術與裝備，提升燒結質量、降低能耗、提高效益。

E、制品的高效精密加工技術與裝備，包括刀具、磨具、薄壁鑽等制品的後加工技術，確保制品應用於精密加工目標的實現。

日出江花紅勝火，春來江水綠如藍。當我們推開超硬材料產業未來發展的大門，一場新的“大考”已經開始，我們付出所有的智慧和辛勞，都為了早日圓超硬材料強國夢。讓我們張開雙臂，擁抱超硬材料及其制品發展新的春天，為實現中華民族的偉大複興，做出我們超硬人新的更大的貢獻!


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