超硬材料目前简况及今后发展趋势①

瞿铭

（全国超硬材料专家委员湖南超硬材料协会，湖南 长沙 410012）

1 超硬材料行业发展现状

超硬材料作为一种重要的工程和功能材料，在国防和国民经济各领域中得到了广泛的应用。随着科学技术的发展和国民经济的增长，它的应用范围不断地扩大，而且向高新技术行业发展。超硬材料行业是一个朝阳行业。前两年不仅生产量增加了，而且质量也提高了，产品供不应求，出现超常规的发展，工业增加值和利润都有大幅度的增加，形势一片大好。据统计，中国金刚石产量占世界90%以上，立方氮化硼的产量占世界60%以上。中国是超硬材料的生产大国，现在正向强国迈进。虽然从去年九月份开始，形势出现逆转变，这是因为国外的经济危机和国内压机台数的增加和扩大所造成的。这是自然的回归，是符合国民经济发展规律的。

我国的金刚石工具近几年也有很大的发展，但仍然滞后于金刚石的发展，有人统计，近两年金刚石砂轮增长60%，金刚石钻头增加30%，金刚石锯片增长17%左右。但产品仍然以中、低档为主，统称为D2y市场。高档专业市场仍然是发达国家所占有，我国占世界市场80%的份额，但经济效益低，只占世界市场的20%左右，形成低价卖出，高价买进的局面。这种状况必须要改变。国家在“十二五”规划中指出：要把经济结构调整作为加快转变经济发展方式的主攻方向，把科技创新作为加快经济发展方式的重要支撑。搞好产品的转型升级，提高产品质量尤为重要。有人说我国的金刚石质量已达到世界先进水平，我看仅仅是极少部分，不然为什么我国金刚石价格比国外的低4～5倍呢？一定要认清国内外形势，不能满足现状要更上层楼。

大家知道，目前的形势不那么乐观，金刚石价格逐步回落，特别是超常规的一型金刚石价格已跌到低谷，许多工厂无法继续生产。我们要根据市场需求，努力开拓科技含量高的新产品。随着我国城市化、现代工业化进程加快，新的结构工程钻头，薄壁钻，复合齿，球齿，绳锯，线锯等工具的应用，对金刚石提出新的要求：如金刚石的粒度、强度、晶形等参数的要求更高、更专业，产品价格也会大大地提高。只要我们跟上新型工业化的步伐，开拓创新，调整产品结构，在经济危机中也能找到好机遇。

2 超硬材料行业今后的发展趋势

2.1 超硬材料与硬质合金工具（刀具、钎具、钻具）等相结合。

20世纪80年代初，美国GE公司和梅加公司就想到把人造金刚石用在硬质合金工具上。将金刚石复合片做钻头用于开采油汽田，煤田，梅加公司用金刚石复合齿用于牙轮钻头、潜孔钻头和钎头在相同硬度的岩层、同等条件下做试验，结果金刚石复合钻头比普通的硬质合金钻头使用寿命提高20多倍，钻速快、钻进成本低。由于技术不断地进步，最近报道使用寿命提高700倍。我国在上世纪80年代末也开始试制复合片钻头，应用较好，逐步代替了国外进口钻头。但复合齿、复合技术难一些，正在起步试制阶段。复合技术就是把高硬度，高耐磨性的人造金刚石与抗冲击性好的硬质合金有机地结合起来。这是一种技术创新和技术革命，是未来工具的发展方向。随着科学技术的发展和社会的进步，航空业、汽车工业、高铁、地铁、隧道开通，军工业的需求和发展，对刀具、钻具、钎具的要求更高了，如对难加工的材料Si－Ae－Mg合金材料，用硬质合金工具去加工就难以胜任，必须用超硬刀具、超硬钻具（PCD和PcBN及PDC），它的耐用度是硬质合金的几十倍，由于超硬刀具（PDC），“以车代磨”、“硬态加工、干式切削”等先进工艺技术的应用，避免了生产过程中的灰尘，磨削液对环境的污染，实现了清洁化生产。因此，超硬刀具是一种高速、高效、高稳定性及低碳环保的切削工具，是21世纪理想的绿色切削刀具，是未来机械加工的主流。

我国是新崛起的现代制造业大国，近年来国家非常重视超硬刀具高速切削技术的研究开发，国家“863”计划和科技重点项目都列入超硬刀具的开发应用。我国已引进国外的数控机床和精密机床上千台，它们加工时的轴转速都很高，国产刀具只有6000r／min以下，转速大于1500r／min就必须用进口的刀具。国产刀具均匀性、稳定性差，而且原材料复合片的直径小，国内企业的复合片（PDC）直径只有Φ13～Φ19～Φ25，去年以来河南四方达超硬材料股份公司生产的复合片直径达51mm，全国最大。大直径复合片是我国今后发展的方向。

2.2 超硬材料磨具逐步取代普通磨料磨具。

由于普通磨料碳化硅（SiC）等属于高污染，高能耗的产品，也是国家政策限制性的产品，而且普通磨料产能过剩，工艺落后，不适合现代工业的发展。温家宝总理曾在视察长沙时指示：“要压缩产能过剩行业，压缩高污染，高能耗产业，要控制建设规模大，有保有压……”

随着现代工业化的发展，加工领域对磨料磨具的要求高了，必须寻找其它的出路。当金刚石价格昂贵的时候，没有人能想到把金刚石应用于磨地板砖，现在当金刚石价格回落到合理水平，对环境又要求严格控制污染的时候。继续使用普通磨料（碳化硅，刚玉）磨地板砖，生产过程中所产生的粉尘，泥浆对环境污染太大。所以近年来有实力的企业试用金刚石代替碳化硅，立方氮化硼代替刚玉做成磨头、磨块来磨地板砖，金刚石用量因此大幅上升，去年一段时间导致一型料、破碎料供不应求，价格猛涨。现由于国际经济形势的影响等，金刚石价格回落了。另外，金刚石，cBN代替普通磨料还需要不断完善使用工艺技术及其它设备配套等，这就需要一个磨合过程也是一个结构调整的过程。但应该看到超硬材料磨具逐步取代普通磨料磨具，这是必然的发展趋势。因为超硬材料磨具在磨削难加工材料（硬质合金，宝石，陶瓷，钛，锆合金等）方面，显示出了特有的优势：（1）磨削效率高，磨削时产生热量少，减少或避免工件表面的烧伤和开裂。（2）超硬材料磨具耐磨性高，磨削精度高、质量好。（3）磨具磨耗小、寿命长、工作效率高、环保好，能改善工人劳动环境和劳动强度。

3 超硬材料在高新技术中的应用

3.1 光伏行业中的应用

所谓光伏材料就是硅晶片所生产的太阳能电池可直接把光能转变为电能，利用太阳能发电。这对我国发展低碳经济，推广新能源技术有重要的意义，我国制订了推广“太阳能屋顶计划”的财政补贴政策，力争太阳能成为我国的重要能源。太阳能光伏产业的核心技术是太阳能电池材料：单晶硅、多晶硅的切片技术。硅属于高硬脆材料、切割成片需要特殊的金刚石工具，如金刚石线锯及其配套的切割设备。金刚石线锯的制作方法有多种：有机械碾压法、钎焊法，树脂粘结法，电镀法。在我国研究较多的是电镀法。电镀法比较经济有效。电镀法的制造步骤：镀前预处理－上砂－加厚－后处理。最难的关键技术是上砂法。上砂的方法也有几种：有埋砂法，落砂法和刷镀法等。金刚石线锯，近几年我国研究的单位较多，进展很快，但仍处于起步阶段，与国外相比还有差距，需不断地改进，逐步推广应用太阳能技术，这个市场潜力巨大。

总之，太阳能光伏产业是世界上发展速度最快的行业之一。为实现能源和环境保护，世界各国均将太阳能光伏发电作为新能源与可再生能源的发展重点，光伏产业的发展为我国金刚石工具的发展制造带来巨大的商机。我国与外商合作的有几家大公司：保定的KVE（英励公司）、无锡的上德公司、江西新余LDK（赛维公司），还有湖南长沙兴业太阳能公司利用15万m2的屋顶太阳能发电，年发电量2500万度。

近年来太阳能光伏产业受到世界金融危机的影响和去年美国对光伏产品“反倾销，反外贴”的“双反”诉讼。使光伏产业各个环节受到冲击很大，但光伏产业仍具有广阔的前景。

3.2 在半导体材料中的应用

随着半导体技术的发展和完善。对集成电路用的硅片加工要求更高，晶圆切片加工特点，精密切割缝宽误差不超过±5μm，切缝要小于5μm，速度要高于30000～45000vpm，为了满足在计算机和集成电路中的使用，要求芯片微型化，高密度化、数字化，对芯片的直径、平坦化提出了更高的要求。为了降低硅片加工发生崩边的现象，提高材料利用率，硅片的切割倾向使用超薄片。目前我国生产电镀金刚石线锯技术还不够成熟，还处于研究阶段（生产中使用的超薄切割，还依赖于从美国、德国、日本进口，目前外商已在国内办厂），但通过几年的努力，超薄片的生产有了很大的进展，还需要我国科技人员继续努力，自主创新来满足我国工具和微电子行业的迫切需求。

3.3 金刚石作为热管理材料

金刚石热管理材料已成为目前电子工业理想的散热材料。将金刚石与铜、铝等金属复合可获得高热导率和可调的膨胀系数，能满足系统散热和组装工艺的要求，国内外研发热管理材料都集中于碳纤维和金刚石体系，已取得较大的进展……

4 结论

当今时代，科技飞速发展，世界经济变化动荡，国内外市场竞争激烈，企业压力增大，原材料价格上涨，劳动力成本上升，人民币升值。节能减排，发展绿色低碳经济是我们面临头等重要任务，这对中小企业是一个严峻的考虑。企业家自身的理念与价值观要转变，使企业转型升级，不要抱着做普通大路货的产品不放，要有自主创新意识，要有自己特色的产品，特有的技术、特殊的销售能力、摸清市场需求规律，分析产品畅销和滞销的原因，才能心中有数。要有敏锐的眼光，科学的态度抢占发展先机，要有对市场规律的深刻认识，更好地把握转机、广交朋友、获取信息、才能更快地捕捉商机。在当前形势下，只有化挑战为机遇，坚定信心迎难而上，才能抓住机遇、谋求更大的发展，作出更大的新贡献。