顧名思義，超硬材料是硬度極高的材料。通常來說，金剛石的硬度最高，莫氏硬度為10，cBN的硬度稍次于金剛石，所以超硬材料通常是指金剛石和cBN，或由這兩種材料為主要成分分别制成的複合材料。

　　作為“工業牙齒”應用的四類硬質材料剛玉、SiC、硬質合金、高速鋼的硬度，遠低于金剛石和cBN的硬度，因此超硬材料又被稱為最硬最鋒利的“工業牙齒”或“材料之王”。

　　超硬材料的結構與性能

　　1、金剛石的結構與性能

　　同其他碳材料一樣，金剛石的主要化學元素組成是碳。無論是天然金剛石，還是人造金剛石，但無論那種金剛石都會含 有或多或少的雜質。金剛石一般都含有氮雜質，根據 金剛石晶體内氮元素含量的差異，金剛石可以分為兩種類型（Ⅰ型金剛石和Ⅱ型金剛石）。

　　金剛石的分類

　　金剛石的雜化軌道電子雲分布、原子結構和晶胞結構

　　近年來，碳材料是一類非常具有研究熱點的材料。21世紀也被稱為“碳時代”。碳材料以其優異出 衆的性能被廣泛應用于各個領域，尤其是在國家戰略 性新興産業中的應用，石墨烯及碳納米材料、碳纖維 及其複合材料、金剛石、碳基薄膜和傳統碳材料（炭 黑、多孔碳、石墨、特種石墨等）在锂電、電容器、儲能、 光伏、半導體、光電顯示、５Ｇ 通訊、傳感器、通用航空、 未來交通、高端裝備等領域應用前景廣闊

　　2、cBN的結構與性能

　　立方氮化硼（cBN）是第二大品種的超硬材料。氮化硼的化學結構式是 BN，由硼元素和氮元素兩種元素組成。氮化硼具有四種不同的晶體結構，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 方式雜 化 ， 而 cBN 和 wBN 中 氮原子和硼原子以 SP3 方式雜 化。

　　某公司幾種不同牌号的cBN單晶（來源于該企業網站）

　　cBN 的硬度略低于金剛石， 顔色多樣，晶體顔色與所含雜質種類、 數量有關。cBN 具有獨特的光電特性， 合成大尺寸、高質量 cBN 單晶是獲得功能器件應用的必然選擇，可是 cBN 晶體的大尺寸化遠沒有金剛石做得成功，這也許是因為合成大顆粒cBN的條件更苛刻，其應用也沒有找到合适領域的緣故。

　　超硬材料的應用

　　1、超硬材料制品的主要品種

　　超硬材料及其制品工具在工業中已經獲得廣泛應用，不僅解決了用傳統工具無法加工或難以加工的難題，還明顯提高了傳統加工效率，明顯降低消耗及廢物排放。

　　幾種超硬材料制品及工具（a.刀片；b.砂輪；c.鋸片；d.鑽頭）

　　超硬材料制品及工具主要品種有鋸切工具、 磨具（包括固結磨具、塗附磨具和松散磨具）、切削刀 具、鑽探工具、修整工具、拉絲模具、其他工具及不同 的功能元器件。

　　2、天然鑽石和人造鑽石

　　（1）天然鑽石

　　采用天然金剛石得到的鑽石稱天然鑽石。天然鑽石璀璨、華麗、稀有、珍貴，被人們 視為珍愛之物。有一句廣告語“鑽石恒久遠，一顆永流傳”在我國婦孺皆知。

　　天然金剛石除用作為飾品以外，更多的是工業應用。金剛石的工業用途長期以來是利用其特别高的硬度，切割玻璃的金剛石刀使我們聯想到：采用金剛石來制備鑽頭用于地質勘探和石油、煤炭開采。金剛石在高溫下會與氧發生不同程度的氧化反應，特别 是與鐵親和性好，不适合用于黑色金屬加工。

　　（2）人造鑽石

　　人造鑽石，行業内又常稱為實驗室合成鑽石，或培育鑽石。大顆粒或大單晶的人造金剛石已經用于加工合成鑽石飾品。

　　人造鑽石也是貨真價實的鑽石，成分、結構與天然鑽石完全相同。兩者隻能通過非常特殊的方式區分，比如在陰極發光儀下，前者的生長紋理呈幾何狀，而後者呈環帶狀。從2006 年開始，GIA 等珠寶機構開始提供鑒定服務并發放證書，主要為了防止商家用價格較低的合成鑽石冒充天然鑽石銷售。

　　過去，鑽石行業的研究人員一直在尋找高效合成人造鑽石的方法，但一直未有突破性進展，其兩大主要障礙來自于成本和生産兩方面的因素。經過數十年的研究，現在靜态觸媒條件下超高壓高溫法合成金剛石大單晶技術已經成熟。

　　我國在超高壓高溫法合成的人造鑽石大單晶，以及采用微波等離子體CVD法合成人造鑽石的技術開發和應用方面都取得了快速的發展，已經有合成鑽石飾品在市場上銷售，并初具市場規模。

　　3、cBN 的主要應用

　　cBN 與金剛石相比有獨有的優點，如高熱穩定性，與鐵族系元素化學惰性。

　　cBN 的用途目前主要有兩個方面，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 加工黑色金屬材料有獨到之處，為硬而韌的難加工鐵基材料提供了新的加工工具。

　　cBN 的主要應用如下：

　　（１）用作磨具材料。既能用于鐵基材料的加工，也能用于非鐵金屬材料的加 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 單晶制備的微粉，通過添加碳化钛、 钴等粘接劑，再用六面頂壓機經高壓高溫燒結制得 的。對鐵族金屬及其合金的加工特别有效，特别适合于高速切削和幹式切削，并實現了以車代磨， 以銑代磨，大幅度提高了生産效率。

　　（３）用作功能材料。高導熱性 cBN 可以應用在光電功能器件上。

　　超硬材料是衆多不同材料中的一個小品種，但它卻是一種不可替代材料，并将可能逐步部分代替其他一些材料。

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