1.超硬材料概述

• 超硬材料定义
  

超硬材料是一类具有极高硬度的材料，其 硬度通常超过HRC 80 。这类材料不仅硬度极高，还兼具良好的韧性和优异的热稳定性及化学稳定性。这些特性使超硬材料能在高温高压环境下保持稳定性能，不易发生氧化、腐蚀等变化。超硬材料主要用于制造加工其他材料的工具，在硬质材料加工领域展现出独特优势，占据着不可替代的地位。常见的超硬材料包括金刚石和立方氮化硼等，它们在工业生产中发挥着关键作用。

• 金刚石之外的超硬材料

在探讨超硬材料时，我们不得不提及那些在硬度和性能上紧随金刚石之后的杰出代表。这些材料虽然不如金刚石那样广为人知，但在特定应用领域却展现出了卓越的表现:

1. 立方氮化硼(CBN) ，其硬度仅次于金刚石，但具有更高的热稳定性和对铁族金属的化学惰性。这意味着CBN在加工钢铁等黑色金属时表现尤为出色，成为解决淬火钢等难磨金属材料加工问题的理想选择。

2. 碳化硼(B4C) ，其莫氏硬度约为9.5，是目前已知第三硬的物质。碳化硼的独特之处在于其优异的化学稳定性，几乎不与任何物质发生化学反应。这种特性使其在核能发电领域扮演着关键角色，特别是在控制核裂变反应方面。

3. 碳化硅(SiC) ，虽然硬度略逊于上述两种材料，但仍属于超硬材料范畴。碳化硅在高温环境下的稳定性令人瞩目，这使其成为半导体器件和高温结构材料的理想选择。

这些超硬材料各有特色，为工业生产和科学研究提供了多样化的解决方案。它们的存在不仅丰富了材料科学的内涵，更为多个领域的技术创新铺平了道路。

2.立方氮化硼特性

立方氮化硼作为一种重要的超硬材料，其独特的物理化学性质使其在众多应用领域中脱颖而出。本节将详细介绍立方氮化硼的关键特性，包括其硬度、热稳定性和化学稳定性等方面。

立方氮化硼(cBN)是一种人工合成的超硬材料，其硬度仅次于金刚石。它的特点如下：

1. 热稳定性
   cBN显著的优势之一是其出色的热稳定性。研究表明，cBN在大气环境中加热至1000℃时仍不会发生氧化反应。这一特性使得cBN在高温加工应用中具有明显优势，尤其是在处理黑色金属和其他难加工材料时表现突出。相比之下，金刚石在高温下易与铁族金属发生化学反应，限制了其在某些领域的应用。

2. 化学惰性
   cBN对黑色金属展现出极高的化学惰性。这种特性使得cBN成为加工钢铁等材料的理想选择，尤其适用于解决淬火钢等难磨金属材料的加工难题。cBN刀具能够在高速切削、硬态切削和干切削等苛刻条件下保持稳定的性能，有效提高了加工效率和质量。

3. 硬度
   cBN的硬度虽略低于金刚石，但仍属超硬材料范畴。实验数据显示，采用不同制备方法得到的cBN材料硬度有所不同：

   制备方法	硬度（GPa）
   纯相烧结	>100
   洋葱状六方氮化硼为初始材料	>100
   热解氮化硼为初始材料	55.2

值得注意的是，CBN的硬度并非固定不变。研究发现，在相同的合成压力下，多晶立方氮化硼块材的晶粒尺寸随合成温度的提高而增大，导致硬度随之下降。这一现象提示我们在实际应用中需综合考虑温度、压力等因素对cBN性能的影响。

    4.断裂韧性

除了硬度和热稳定性，cBN的断裂韧性也是衡量其性能的重要指标。据报道，采用洋葱状六方氮化硼为初始材料制备的纳米聚晶立方氮化硼，其断裂韧性可达12MPa·m^(1/2)。这一数值反映了cBN在承受外部载荷时抵抗裂纹扩展的能力，为其在各种机械加工应用中的优异表现奠定了基础。

• 应用领域

立方氮化硼(CBN)作为一种高性能超硬材料，在现代工业加工领域扮演着至关重要的角色。其卓越的热稳定性和化学惰性使其成为加工黑色金属材料的理想选择，尤其在机械加工、磨削和切割等领域展现出独特优势。

机械加工

在机械加工领域，CBN刀具展现出卓越的性能。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片凭借其高硬度和优异的热化学稳定性，成为加工淬硬黑色金属的理想选择。具体应用如下：

1. 精加工淬硬黑色金属 ：PCBN刀片特别适用于加工HRC45以上的淬硬钢、耐磨铸铁以及HRC35以上的耐热合金。这种刀片能够实现以车代磨的效果，大幅提高加工效率。

2. 高含量PCBN刀片 ：CBN含量通常在80%~90%，具有较高的硬度、耐磨性、抗压强度和热导性。这类刀片特别适合加工高硬度合金或含有高硬质点的材料，如冷硬铸铁、硬质合金、耐热合金和铁基烧结合金等。

3. 低含量PCBN刀片 ：采用CBN与具有良好浸润性的Ti系陶瓷作结合相。这种组合虽然耐磨性和热导性相对较低，但由于陶瓷相的耐热性好及热导性差的特点，可在切削区形成热滞留，使工件迅速形成塑性变形，从而获得更好的切削效果。

磨削

在磨削领域，CBN砂轮展现出独特优势：

1. 热稳定性 ：CBN砂轮的耐热性高达1250-1350℃，远超金刚石砂轮的800℃。即使在出现火花的情况下，CBN砂轮仍能保持优良的磨削性能。

2. 化学惰性 ：CBN砂轮对铁族元素具有高度的化学惰性，使其成为磨削各种难加工材料的理想选择，如高速钢、工具钢、高合金淬硬钢、铬钢、镍合金、粉末冶金钢和高温合金等。

3. 磨削效率 ：CBN砂轮的线速度可达到30m/s-50m/s及以上，大大提高了磨削效率。同时，CBN砂轮能够获得较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，加工表面不易产生裂纹和烧伤，残余应力小，从而提高了工件的抗压抗疲劳强度。

切割

在切割应用中，CBN刀具同样表现出色。特别是在加工高硬度材料时，CBN刀具能够实现高效的切削，同时保持良好的刃口锋利性。这种性能优势使得CBN刀具在加工难加工材料时具有明显的优势。

通过这些应用案例，我们可以看到立方氮化硼在现代工业加工中的重要地位。其卓越的性能不仅提高了加工效率，还推动了制造业向更精密、更高效的方向发展。

3.碳化硅制品

• 碳化硅性质

碳化硅(SiC)作为一种重要的超硬材料，其独特的物理化学性质使其在多个领域展现出卓越的应用前景。本节将重点介绍碳化硅的三个核心特性：硬度、耐热性和耐腐蚀性。

硬度

碳化硅的硬度仅次于金刚石，在所有陶瓷材料中排名第三。其莫氏硬度达到9.5级，仅次于金刚石的10级。这种极高的硬度赋予了碳化硅优异的耐磨性，使其在高速摩擦和磨损环境中表现出色。例如，在轴承、滚轮和轴等机械部件中，碳化硅的应用可以显著提高设备的使用寿命和运行效率。

耐热性

碳化硅的耐热性是其另一个突出的特性。研究表明，碳化硅的熔点超过2700℃，在高温下仍能保持稳定的物理和化学性质。这种优异的热稳定性使得碳化硅成为航空航天发动机部件、燃烧室衬等高温应用的理想选择。值得一提的是，碳化硅的热膨胀系数很小，仅为4×10^-6/°C，这有助于减少热应力导致的裂纹问题，进一步增强了其在高温环境下的适用性。

耐腐蚀性

碳化硅还展现出优异的耐腐蚀性能。它对大多数化学物质具有良好的抵抗能力，包括酸、碱和盐等。这种耐腐蚀性使得碳化硅在化工、制药等行业中的应用成为可能。例如，在化工行业中，碳化硅可以用于制造各种泵、阀、管道等设备，这些设备需要长期接触腐蚀性液体。采用碳化硅材料可以显著提高设备的使用寿命和可靠性。

除此之外，碳化硅还具有其他一些值得关注的特性：

• 高热导率：碳化硅的热导率较高，约为100-200W/(m·K)，这使其成为高效散热材料的理想选择。

• 低热膨胀系数：有助于减少热应力导致的裂纹问题。

• 绝缘性好：碳化硅具有优异的电绝缘性能，适用于需要电气隔离的应用。

• 生物相容性：碳化硅具有良好的生物相容性，可用于医疗器械和植入物。

这些特性共同构成了碳化硅的独特优势，使其在多个领域展现出广阔的应用前景。随着材料科学和制造技术的不断发展，碳化硅的性能有望得到进一步优化，为更多高科技应用提供强有力的支持。

• 工业应用

碳化硅作为一种多功能超硬材料，在工业应用中展现出卓越的性能和广泛的适应性。其独特的物理化学特性使其在研磨、耐火材料和半导体等领域发挥着关键作用，为现代工业的进步做出了重要贡献。

研磨领域

在研磨领域，碳化硅以其高硬度和优异的耐磨性成为理想的选择。特别是绿碳化硅，其莫氏硬度高达9.2至9.5，仅次于金刚石和立方氮化硼。这种高硬度特性使得绿碳化硅在晶圆研磨过程中能够实现高精度的研磨效果。具体应用如下：

1. 高精度研磨 ：绿碳化硅能够承受压力和摩擦，形成较细的划痕，从而提高晶圆表面的平整度，降低粗糙度，去除表面缺陷。

2. 研磨效率高 ：绿碳化硅具有良好的耐磨性，保持较高的去除率，缩短生产周期，降低成本。

3. 优良的导热性 ：有效传导研磨过程中产生的大量热量，维持研磨区域温度稳定，避免晶圆变形或产生热应力。

4. 优异的化学稳定性 ：抵抗多种腐蚀性介质的侵蚀，在复杂化学环境中保持稳定性和完整性。

半导体领域

在半导体领域，碳化硅正逐渐成为新一代功率器件和射频器件的核心材料。碳化硅具有宽带隙（约3.26eV）、高电子迁移率等特性，使其在高温、高电压和高频率下表现出色。这些特性使得碳化硅器件在能源转换、汽车和航空等领域具有显著优势。具体应用如下：

1. 功率器件 ：碳化硅能够显著提高器件的效率和耐温性，特别适用于高温、高电压和高频率的工作环境。

2. 射频器件 ：碳化硅的优异电子迁移率和热稳定性使其成为制造高性能射频器件的理想材料，如射频功率放大器和滤波器。

耐火材料

在耐火材料领域，碳化硅展现出独特的优势。碳化硅耐火材料具有以下特点：

• 导热系数高：约为粘土制品的10～14倍

• 膨胀系数低：热稳定性好，高温耐压，抗折强度大

• 化学性能稳定

这些特性使得碳化硅制品成为钢铁冶金、化工、陶瓷等工业炉窑的理想选择。据统计，国外已有61%的高炉炉衬使用碳化硅制品。在国内，自20世纪80年代以来，碳化硅制品也开始在炼铁高炉炉衬中得到应用，效果良好。

此外，碳化硅在其他领域也有广泛应用：

• 有色金属冶炼 ：碳化硅制品用于锌蒸馏塔、立式及卧式蒸馏罐等。

• 机械工程 ：碳化硅制成的轴承、密封环等部件具有优异的耐磨性和耐腐蚀性。

• 环保领域 ：碳化硅膜可用于水处理和空气净化。

随着材料科学和制造技术的不断进步，碳化硅的应用前景将更加广阔。预计到2025年，碳化硅半导体市场将达到25亿美元的规模，其中新能源汽车和充电桩领域将成为更好的应用市场，占比约70%。这一发展趋势充分体现了碳化硅在现代工业中的战略地位和巨大潜力

4.其他超硬材料制品

• 碳化硼制品

碳化硼(B4C)是一种极具特色的超硬材料，其莫氏硬度约为9.5，仅次于金刚石和立方氮化硼。这种材料在核能发电领域扮演着关键角色，特别是在控制核裂变反应方面。碳化硼能够吸收大量中子而不形成放射性同位素，因此被广泛用作核反应堆中的中子吸收剂。此外，碳化硼还在军事和工业领域找到应用，如制作轻质装甲、防弹衣和耐磨涂层等。这些应用充分利用了碳化硼的高强度、低密度和优异的化学稳定性等特性。

• 超硬复合材料

在超硬材料的研究中，新型超硬复合材料的开发一直是热点话题。近年来，研究人员通过创新性方法成功合成了一系列具有突破性性能的复合材料。例如，采用纳米洋葱BN粉体作为前驱物，首次实验合成了纳米孪晶结构的立方氮化硼(cBN)。这种新材料展现出惊人的硬度值108 GPa，约为cBN单晶硬度的2倍，甚至超过了人工合成金刚石单晶的硬度。

更重要的是，纳米孪晶cBN的断裂韧性高达12.7 MPa·m^(1/2)，约为cBN单晶的4.5倍，比纳米晶cBN块材高出21%。这种材料的抗氧化温度也达到了1294°C，比cBN单晶高出191°C。这些特性使纳米孪晶cBN在机械加工、磨削和切割等领域展现出巨大的应用潜力，特别是在处理高温、高压和高硬度材料时具有独特优势。

5.超硬材料制品的发展趋势

• 新材料研发

在超硬材料领域，新的研究方向聚焦于开发新型复合材料和改进现有材料的性能。近期的一项突破性进展是成功合成了一种纳米孪晶结构的立方氮化硼(cBN)，其硬度高达108 GPa，超过了许多传统超硬材料。这种材料不仅具有极高的硬度，还展现出优异的断裂韧性和抗氧化性能，为机械加工、磨削和切割等领域带来了新的可能性。

此外，研究人员正在探索将超硬材料与其他功能性材料相结合的方法，以创造具有特殊性能的复合材料。这些努力旨在提升材料的整体性能，扩大其在高端制造业和新兴产业中的应用范围。

• 应用拓展

超硬材料在新兴领域的应用前景广阔，尤其在航空航天和电子产业中展现出巨大潜力。在航空航天领域，超硬材料可用于制造轻质、高强度的航天器材料，提升飞行器性能并实现隐身功能。电子产业方面，超硬材料在天线、传感器等部件上的应用可改善汽车电子系统，助力通信技术升级，为5G乃至6G通信技术的发展提供关键支持。这些应用充分展示了超硬材料在高科技领域的战略意义和创新潜力。