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超硬材料

发布日期:2020-07-01 10:34 作者:亚美ag旗舰下载

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  (Superhard Material)是指硬度特别高的材料,可分为天然以及人造两种,前者主要包括天然的钻石(金刚石)、黑钻石,后者则包括聚合钻石纳米棒(ADNR)、化学气相沉积金刚石(CVDD),以及研究较多的多晶立方氮化硼(PCBN)等。

  主要是指金刚石和立方氮化硼。金刚石(英文:Diamond)是已知的世界上最硬的物质,另外C60的硬度可能不亚于金刚石,但尚未定论。立方氮化硼硬度仅次于金刚石。这两种超硬材料的硬度都远高于其它材料的硬度,包括磨具材料刚玉碳化硅以及刀具材料硬质合金、高速钢等硬质工具材料。

  因此,超硬材料适于用来制造加工其它材料的工具,尤其是在加工硬质材料方面,具有无可比拟的优越性,占有不可替代的重要地位。止因如此,超硬材料在工业上获得了广泛应用。除了用来制造工具之外,超硬材料在光学、电学、热学方面具有一些特殊性能,是一种重要的功能材料,引起了人们的高度重视,这方面的性能和用途正在不断地得到研究开发。

  2013年1月17日《自然》杂志发表燕山大学多晶超硬材料合成技术突破性成果,燕山大学教授领导的研究组在国家自然科学基金创新研究群体、重点项目、面上项目以及科技部973项目的持续资助下,与国内外科学家合作,在多晶超硬材料合成技术和超硬材料硬化机理研究方面取得突破性进展。利用高温高压技术成功地合成出超高硬度的纳米孪晶结构,提出了材料硬化新机制。其研究成果发表在2013年1月17日最新一期的Nature杂志上。优异的综合性能表明纳米孪晶结构立方氮化硼是一种工业界期盼已久的刀具材料。这一研究成果向人们展现了合成高性能超硬材料的新途径——— 获得超细纳米孪晶结构。

  中国材料科学家教授领导的研究团队与教授和美国芝加哥大学王雁宾教授合作,继2013年合成出极硬纳米孪晶立方氮化硼之后再次取得突破,在高温高压下成功地合成出硬度两倍于天然金刚石的纳米孪晶结构金刚石块材。研究成果发表在2014年6月12日的Nature杂志上。

  据数据显示,随着下游应用市场需求的不断扩大,复合超硬材料下游需求呈现较快增长的态势。监测数据显示,国内超硬材料与制品产值大约在1:3-1:6之间,随着下游复合超硬材料制品市场规模的不断增长,复合超硬材料的市场需求随之扩大,其中高品级金刚石的市场需求占整个市场的比例大约为60-70%。

  首先,石油/天然气钻头用PCD复合片的市场容量和需求主要由下游油气钻头市场需求量决定,而油气钻头需求量主要由油气市场需求和油气开采企业开采计划决定。2009年我国石油产量为18,949万吨,消费量却高达38,384.5万吨,石油对外依赖性强。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中明确指出要加大石油勘探开发力度,稳定国内石油产量。

  另一方面,中国天然气产量和消费量总体呈增长趋势。数据显示,2005年到2011年我国天然气产量一直呈现高速增长趋势。2011年我国天然气产量增长迅猛,产量占全球天然气总产量的3.1%,达到1,025亿立方米,同比增长8.12%。

  随着我国油气产量的不断增长,对于油气用金刚石复合片的需求量也表现出旺盛的需求。油气用PCD复合片全球市场规模约为110亿元人民币,我国市场空间大约为14亿元人民币,发展潜力巨大。

  根据美国能源署(EIA)公布的《2011年全球页岩气资源初步评估》报告,中国是全球页岩气储量最多的国家,可采储量约为36.1万亿立方米,远高于世界其他国家。进入“十二五”,我国将页岩气勘探开发作为国家能源战略的重要发展领域之一,在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中指出“退佃煤层气、页岩气等非常规油气资源开发利用”,在《页岩气发展规划(2011-2015年)》明确目标要“力争到2020年产量达到600-1,000亿立方米”。所以,随着页岩气开发利用的深入,油气用PCD复合片必将迎来新的发展机遇,市场规模将进一步扩大。

  其次,煤田/矿山工具用PCD复合片的市场需求主要受煤炭的开采量影响。国家统计局数据显示,我国从1990年到2009年煤炭的产量和消费量都呈现不断增长的态势,产消基本平衡。2011年我国原煤总产量达到35.2亿吨,同比增加8.7%。在煤炭产量的不断带动下我国矿用金刚石复合片市场规模不断扩大,矿山用复合片全球市场规模近200亿元,中国市场规模约为20亿元。

  再次,PCD高品级拉丝模胚受线材在工业生产和工程建设中需求量巨大的带动,市场容量可观,但由于PCD拉丝模坯的生产成本和售价较高,有部分对拉丝效果、精度要求较高的终端用户选用PCD 拉丝模坯,市场容量有待进一步扩大。

  金刚石,也称钻石,有天然金刚石和人造金刚石两种。金刚石是世界上已知的最硬工业材料,它不仅具有硬度高、耐磨、热稳定性能好等特性,而且以其优秀的抗压强度、散热速率、传声速率、电流阻抗、防蚀能力、透光、低热胀率等物理性能,成为工业应用领域不可替代的新材料,现代工业和科学技术的瑰宝。

  人造金刚石是加工业最硬的磨料,电子工业最有效的散热材料,半导体最好的晶片,通讯元器件最高频的滤波器,音响最传真的振动膜,机件最稳定的抗蚀层等等,已经被广泛应用于冶金、石油钻探、建筑工程、机械加工、仪器仪表、电子工业、航空航天以及现代尖端科学领域。

  立方氮化硼,英文称为::Cubic Boron Nitride,缩写为:CBNcBN。是人工合成的一种超硬材料。

  立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料。它不但具有金刚石的许多优良特性,而且有更高的热稳定性和对铁族金属及其合金的化学惰性。它作为工程材料,已经广泛应用于黑色金属及其合金材料加工工业。同时,它又以其优异的热学、电学、光学和声学等性能,在一系列高科技领域得到应用,成为一种具有发展前景的功能材料。

  立方氮化硼微粉,用在精密磨削、研磨、抛光和超精加工,以达到高精度的加工表面。适用于树脂、金属、陶瓷等结合剂体系,亦可用于生产聚晶复合片烧结体,还可用做松散磨粒、研磨膏。

  CBN由于具有优异的化学物理性能,如具有仅次于金刚石的高硬度、高热稳定性和化学惰性,作为超硬磨料在不同行业的加工领域获得广泛的应用,汽车、航天航空、机械电子、微电子等工业不可或缺的重要材料,也得到各工业发达国家的极大重视。

  合成CBN除静高压触媒法还有多种方法,如静高压直接转化法、动态冲击法、气相沉积法等,其中有些方法如气相沉积法发展很快。但迄今为止工业合成CBN主要方法还是静高压触媒法,CBN的合成研究也主要集中于这方面。

  立方氮化硼聚晶PCBN)刀具是由许多细晶粒(0.1~100)CBN聚结而成的CBN聚集体的一类超硬材料产品。它除了具有高硬度、高耐磨性外,还具有高韧性、化学惰性、红硬性等特点,并可用修磨。在切削加工的各个方面都表现出优异的切削性能,能够在高温下实现稳定切削,特别适合加工各种淬火钢工具钢冷硬铸铁难加工材料。刀具切削锋利、保形性好、耐磨性能高、单位磨损量小、修正次数少、利于自动加工,适用于从粗加工到精加工的所有切削加工。PCBN在数控切削行业已得到广泛应用,是一种具有良好发展前景的刀具材料。

  人造金刚石聚晶(PCD)复合片是在高温高压情况下由许多细和硬质合金衬底联合烧结而成的块状聚结体。它和PCBN一样具有高强度、高硬度、高耐磨性、特别是具有高的抗冲击韧性。作为加工工具,PCD主要用于石油、冶金、地质钻头、扩孔器等,其钻进速度及时效均为天然金刚石的许多倍,同时钻进过程中还可以有效保持孔径。人造金刚石复合片还可以用来切削非铁金属及其合金、硬质合金以及非金属材料切削速度为硬质合金刀具的上百倍,耐用度为硬质合金的上千倍。

  刘光照. 超硬材料[J]. 无机材料学报, 1975, 3: 006.


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