超硬材料切削具应用情况

由于合成工艺技术及设备性能等方面的原因，大多数超硬材料切削具只能在700℃以内的温度环境中制成产品。以其制造的地质、矿山、石油钻头，限用于可钻性在7级以下的非研磨性或弱研磨性岩层。2100433B

近年来，美国和欧洲共同体的一些国家先后研制出用聚晶金刚石和立方氮化硼为基体材料的复合体切削具已有几十种。有单元的、也有多元异型的，其几何形状、规格和物理机械性能各不相同，现有几十种专利，并不同程度地在地质勘探、矿山坑道钻探、石油钻探中进行试验和使用。

将六方氮化硼和触媒金属置于合成腔内，在1300～2300℃、500～900MPa的高温高压下，部分六方氮化硼转变为立方氮化硼微晶。也可用静压烧结法获得立方氮化硼晶体。立方氮化硼的晶格与金刚石相似，其硬度和强度接近于金刚石，可作为钻头切削具。立方氮化硼开始氧化的温度超过1300℃，在一定的保护环境下，可经受1900℃以上的高温，但脆性大，导热性比金刚石差，热膨胀系数大。

乌克兰超硬材料研究所研制的一种类似人造金刚石聚晶体的超硬材料钻头切削具。其硬度和耐磨性接近于天然金刚石，几何形状有圆柱体和片状两种。

将人造金刚石单晶与金属粘结剂按一定比例混合，在高温、高压下二次合成的金刚石聚晶体钻头切削具。其热稳定性高于人造单晶金刚石。中国生产的聚晶，磨削比在3～5万之间，几何形状有圆柱状和三棱柱状等。

用高温、高压技术，将细粒人造金刚石单晶，二次合成为0.3～0.8mm厚的人造金刚石聚晶薄片，焊接在硬质合金底衬上，或者用高温、高压技术，将细粒人造金刚石单晶与硬质合金基体直接粘结在一起制成的钻头切削具。复合片多为圆形，也可用线切割的方法或直接合成所需要的其它几何形状。

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。

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，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君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立方氮化硼块材，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。

中国材料科学家燕山大学田永君教授领导的研究团队与吉林大学马琰铭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。

超硬材料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。