超硬材料的性能与应用
摘要：本文在超硬材料的基础上讨论了其良好性能及在工业上的应用，同时提出超硬材料在其领域内所应该开发的新应用。重点分析了超硬材料在应用过程中所表现出其他材料所不能替代的性能。本文通过查阅相关文献阐述了超硬材料综述了超硬料的结构及其性能特点,为今后超硬材料在工业上的进一步发展有提供前景。关键字：超硬材料、金刚石、立方碳化硼、性能、应用等
一、超硬材料的简介所谓的超硬材料则是指硬度可与金刚石相比拟的材料。目前使用的超硬材料主要是立方氮化硼与金刚石，但是还是许多超硬材料正在研发中，如碳化硼，富硼氧化物等。金刚石包括天然金刚石和人造金刚石，天然金刚石是目前世界上最硬的工业材料，它具有硬度高、耐磨损、热稳定性能好等特性，而且抗压强度高、散热速率快、传声速率快、电流阻抗、防蚀能力、透光、低热胀率等物理性能，是工业材料中不可替代的材料；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CBN是硬度仅次于金刚石的材料，但是目前并未发现天然立方氮化硼的存在，工业和日常生活中使用的都是人造的。它具有与金刚石的许多特性相比拟的特点，同时也具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，它又具有优异的热学、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。
二、超硬材料的性能A）结构组成：金刚石是碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。氮化硼是立方结构。
B）力学性能：金刚石是目前地球上最硬的物质，莫氏硬度为10。新摩氏硬度15，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。较脆，在不大的冲动力下会沿晶形解理面裂开质纯、结晶完好的为3520 kg/m3，一般为3470~3560 kg/m3。具有平行八面体的中等或完全解理，平行十二面体的不完全解理。呈贝壳状或参差状。金刚石具有极大的弹性模量，是自然界最高的磨削材料，弹性模量达90000kg/mm。摩擦系数小，有极高的抗磨能力，因此在金刚石选矿中利用这一特性，采用球磨机、锥形磨矿机来分离金刚石。但金刚石极脆，不能承受正向的外力撞击。硬度高、耐磨性好。
立方氮化硼烧结体的硬度一般在3500~4000Hv，陶瓷；2400 Hv，硬质合金1800 Hv左右。高硬度带来了相当好的耐磨性，一般讲，立方氮化硼的耐磨性是涂层合金的30倍，是无涂层硬质合金的50倍，是陶瓷刀片的15~20倍。C）热学性能：熔点：金刚石熔点达4000℃，在空气中燃烧温度为850~1000℃，在纯氧中720~800℃燃烧，金刚石发出浅蓝色火焰，并转化成二氧化碳。热导率一般为138.16W/(m•K)。但Ⅱa型金刚石的热导率特别高，在液氮温度下为铜的25倍，并随温度的升高而急剧下降。低温时热膨胀系数极小，随温度的升高，热膨胀系数迅速增大。
立方氮化硼在1370º以上才开始由立方晶体向六方晶体转化；在1000ºC的高温下切削，其表面不会产生氧化，高温下硬度降低程度也比硬质合金和陶瓷刀片小的多，这就为高速切削创造了条件。导热系数为79.54w/m,k，仅次于金刚石，随温度提高，导热系数逐渐增大，有利于散热。D）磁电性能：金刚石为无磁性重部分矿物(p>2.9)因此在选矿中不能采用电
磁选(中磁性、弱磁性)方法。某些情况下由于含有磁性包裹体而显示一定磁性。介电常数为15℃时为16~16.5 导电性：绝大多数金刚石是电介质，电阻率：5×104Ω.cm，一般情况下是电的不良导体。电导率为0.211×10-12~0.309×10-11s/m。随温度的升高，电导率有所增大。Ⅱb型金刚石具有良好的半导体性能，属P型半导体摩擦电性：金刚石与玻璃、硬橡胶、有机玻璃表面摩擦时产生摩擦电荷。氮化硼的磨擦系数为0.1~0.3系数抵使切削力小切削温度低不异常时光、不易产生粘削有利于表面质量，立方氮化硼刀片可反复刃磨。E）光学性能：偏光性：绝大多数金刚石在偏光下显示非均性，金刚石属等轴晶系矿物，理论上应为均质性，但由金刚石形成于压力变化的地质体中，由于应力作用使金刚石晶体内结构产生局部错位，因而显示不均匀的非均质性，透明度：无色及浅色金刚石均成透明状，在无色中的白、优白金刚石测定透过率达95%以上，深色金刚石及具毛玻璃蚀象的透明度减弱呈现半透明状，当金刚石中包体含量增加亦影响透明度。色散：金刚石色散为0.044。在自然光的照射下，具备一定的入射角度在钻石表面产生分解的光谱色，俗称火彩光泽：属标准金刚光泽，由于熔蚀作用及毛玻璃蚀象等可出现油脂光泽或光泽减弱。发光性：在X射线下金刚石产生天蓝色、浅绿色荧光，在长波、短波紫外线下产生浅黄、天蓝荧光，但有相当一部分不发光。有的在日光下曝晒后发浅蓝色磷光。阴极射线下显蓝、绿荧光。F）表面性能：亲油疏水性：金刚石是一种亲油疏水性矿物，在晶体表面擦上油质后可见晕色，在晶面上滴上油珠立即扩散，而滴上水珠则不扩散，因此在选矿中利用油选可将金刚石分离出来。G）化学稳定性：金刚石化学性质非常稳定，在酸、碱中均不分解，在熔融的硝酸钠、硝酸钾、碳酸钠中溶解。
二、超硬材料的应用1、CBN磨削刀具CBN磨具与普通磨具相比，具有磨削锋利、耐磨性好、加工效率高、加工表面质量优、加工精度高、使用寿命长、单位加工成本低、节能和改善环境等优点，因而它广泛应用于汽车、拖拉机、轴承、机床、齿轮、工具、磨具、航天航空、军工等许多行业，特别是适用高速钢、耐热钢、不锈钢、热敏材料等硬度高、韧性大、高温强度高、热传导率低的材料的精密磨削加工。陶瓷CBN磨具不仅具有切削锋利、切削力小、生产效率高、使用寿命长、易于整形与修锐、磨削精度高等优点，而且还具有磨削工件温度低、能消除表面拉应力而产生残余应力，使工件耐用度提高30%-50%的特点，因此，陶瓷结合剂CBN磨具近年来获得异军突起的发展。2、金刚石钻头金刚石材料的钻头耐磨且寿命长,适合于深井和研磨性的地层使用。在地温较高的情况下，普通钻头的轴承密封易失效，使用金刚石材料钻头则不会出现此问题。在小于165.1mm的井眼钻井中，普通钻头的轴承由于空间尺寸的限制，强度受到影响，性能不能保证，而金刚石材料钻头则不会出现问题，因而小井眼钻井宜使用金刚石材料钻头。金刚石材料钻头的钻压低于牙轮钻头，因而在钻压受到限制(如防斜钻进)的情况下应使用金刚石材料钻头。金刚石材料的钻头结构设计、制造比较灵活，生产设备简单，因而能满足非标准的异形尺寸井眼的钻井需要。金刚石材料钻头中的PDC钻头是一种切削型钻头，切削齿具有自锐优点，破碎岩石时无牙轮钻头的压持作用，切削齿切削时切削面积较大，是一种高效钻头。实践表明，这种钻头适应地层时可以取得很高的效益，但金刚石材料钻头抗冲击性载荷性能较差。3、金刚石锯切工具金刚石锯切工具主要是指各类金刚石切割锯片，包括圆锯片、排锯、绳锯等。主要用于切割大理石、花岗岩和混凝土等非金属材料。金刚石圆锯片广泛用于切割天然花岗石。不同的花岗石，其物理性能、力学性能有很大的差别，锯片的受力和磨损情况也有很大的不同。锯片使用寿命也不同。但是金刚石锯片相对于其他材质的锯片其寿命显得就很长了，并且金刚石锯片的兼有金刚石的硬度和硬质合金的强韧性，加上极低的摩擦系数、高导热性和良好的化学稳定性，以及低的制造成本，使得其应用也变的越来越普遍。
4、金刚石磨具普通磨料磨具相比，金刚石磨的磨削效率高，压力低，因而磨削时产生的热量少，避免了工件表面的烧伤和开裂，而且降低设备的磨损和磨损过程中的能耗。同时由
