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別制成的復合材料。



作為“工業(yè)牙齒”應用的四類硬質(zhì)材料剛玉、SiC、硬質(zhì)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(yè)牙齒”或“材料之王”。



超硬材料的結(jié)構(gòu)與性能



1、金剛石的結(jié)構(gòu)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。根據(jù)其來源可分為天然金剛石和人造金剛石，但無論哪種金剛石都會含有或多或少的雜質(zhì)。金剛石一般都含有氮雜質(zhì)，根據(jù)金剛石晶體內(nèi)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云分布、原子結(jié)構(gòu)和晶胞結(jié)構(gòu)

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(yōu)異出眾的性能被廣泛應用于各個領(lǐng)域，尤其是在國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的應用，石墨烯及碳納米材料、碳纖維及其復合材料、金剛石、碳基薄膜和傳統(tǒng)碳材料（炭黑、多孔碳、石墨、特種石墨等）在鋰電、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(lǐng)域應用前景廣闊。

2、cBN的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)：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。



cBN 的硬度略低于金剛石，顏色多樣，晶體顏色與所含雜質(zhì)種類、 數(shù)量有關(guān)。cBN 具有獨特的光電特性，合成大尺寸、高質(zhì)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適領(lǐng)域的緣故。



超硬材料的應用

一、金剛石的應用

1、超硬材料制品的主要應用


超硬材料及其制品工具具有高速、高效、高精特點，在工業(yè)中已經(jīng)獲得廣泛應用，不僅解決了用傳統(tǒng)工具無法加工或難以加工的難題，還明顯提高了加工效率，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.鉆頭）

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

2、天然鉆石和人造鉆石

（1）天然鉆石

采用天然金剛石得到的鉆石稱天然鉆石。天然鉆石璀璨、華麗、稀有、珍貴，被人們 視為珍愛之物。天然金剛石除用作為飾品以外，更多的是工業(yè)應用。金剛石的工業(yè)用途長期以來是利用其特別高的硬度，切割玻璃的金剛石刀使我們聯(lián)想到：采用金剛石來制備鉆頭用于地質(zhì)勘探和石油、煤炭開采。金剛石在高溫下會與氧發(fā)生不同程度的氧化反應，特別 是與鐵親和性好，不適合用于黑色金屬加工。

（2）人造鉆石

人造鉆石，行業(yè)內(nèi)又常稱為實驗室合成鉆石，或培育鉆石。大顆粒或大單晶的人造金剛石已經(jīng)用于加工合成鉆石飾品。




過去，鉆石行業(yè)的研究人員一直在尋找高效合成人造鉆石的方法，但一直未有突破性進展，其兩大主要障礙來自于成本和生產(chǎn)兩方面的因素。經(jīng)過數(shù)十年的研究，現(xiàn)在靜態(tài)觸媒條件下超高壓高溫法合成金剛石大單晶技術(shù)已經(jīng)成熟。


二、cBN 的應用

cBN 與金剛石相比有獨有的優(yōu)點，如高熱穩(wěn)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，通過添加碳化鈦、鈷等粘接劑，再用六面頂壓機經(jīng)高壓高溫燒結(jié)制得的。對鐵族金屬及其合金的加工特別有效，特別適合于高速切削和干式切削，并實現(xiàn)了以車代磨， 以銑代磨，大幅度提高了生產(chǎn)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。





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