超硬材料目前簡況及今后發展趨勢①

瞿銘

（全國超硬材料專家委員湖南超硬材料協會，湖南 長沙 410012）

1 超硬材料行業發展現狀

超硬材料作為一種重要的工程和功能材料，在國防和國民經濟各領域中得到了廣泛的應用。隨著科學技術的發展和國民經濟的增長，它的應用范圍不斷地擴大，而且向高新技術行業發展。超硬材料行業是一個朝陽行業。前兩年不僅生產量增加了，而且質量也提高了，產品供不應求，出現超常規的發展，工業增加值和利潤都有大幅度的增加，形勢一片大好。據統計，中國金剛石產量占世界90%以上，立方氮化硼的產量占世界60%以上。中國是超硬材料的生產大國，現在正向強國邁進。雖然從去年九月份開始，形勢出現逆轉變，這是因為國外的經濟危機和國內壓機臺數的增加和擴大所造成的。這是自然的回歸，是符合國民經濟發展規律的。

我國的金剛石工具近幾年也有很大的發展，但仍然滯后于金剛石的發展，有人統計，近兩年金剛石砂輪增長60%，金剛石鉆頭增加30%，金剛石鋸片增長17%左右。但產品仍然以中、低檔為主，統稱為D2y市場。高檔專業市場仍然是發達國家所占有，我國占世界市場80%的份額，但經濟效益低，只占世界市場的20%左右，形成低價賣出，高價買進的局面。這種狀況必須要改變。國家在“十二五”規劃中指出：要把經濟結構調整作為加快轉變經濟發展方式的主攻方向，把科技創新作為加快經濟發展方式的重要支撐。搞好產品的轉型升級，提高產品質量尤為重要。有人說我國的金剛石質量已達到世界先進水平，我看僅僅是極少部分，不然為什么我國金剛石價格比國外的低4～5倍呢？一定要認清國內外形勢，不能滿足現狀要更上層樓。

大家知道，目前的形勢不那么樂觀，金剛石價格逐步回落，特別是超常規的一型金剛石價格已跌到低谷，許多工廠無法繼續生產。我們要根據市場需求，努力開拓科技含量高的新產品。隨著我國城市化、現代工業化進程加快，新的結構工程鉆頭，薄壁鉆，復合齒，球齒，繩鋸，線鋸等工具的應用，對金剛石提出新的要求：如金剛石的粒度、強度、晶形等參數的要求更高、更專業，產品價格也會大大地提高。只要我們跟上新型工業化的步伐，開拓創新，調整產品結構，在經濟危機中也能找到好機遇。

2 超硬材料行業今后的發展趨勢

2.1 超硬材料與硬質合金工具（刀具、釬具、鉆具）等相結合。

20世紀80年代初，美國GE公司和梅加公司就想到把人造金剛石用在硬質合金工具上。將金剛石復合片做鉆頭用于開采油汽田，煤田，梅加公司用金剛石復合齒用于牙輪鉆頭、潛孔鉆頭和釬頭在相同硬度的巖層、同等條件下做試驗，結果金剛石復合鉆頭比普通的硬質合金鉆頭使用壽命提高20多倍，鉆速快、鉆進成本低。由于技術不斷地進步，最近報道使用壽命提高700倍。我國在上世紀80年代末也開始試制復合片鉆頭，應用較好，逐步代替了國外進口鉆頭。但復合齒、復合技術難一些，正在起步試制階段。復合技術就是把高硬度，高耐磨性的人造金剛石與抗沖擊性好的硬質合金有機地結合起來。這是一種技術創新和技術革命，是未來工具的發展方向。隨著科學技術的發展和社會的進步，航空業、汽車工業、高鐵、地鐵、隧道開通，軍工業的需求和發展，對刀具、鉆具、釬具的要求更高了，如對難加工的材料Si－Ae－Mg合金材料，用硬質合金工具去加工就難以勝任，必須用超硬刀具、超硬鉆具（PCD和PcBN及PDC），它的耐用度是硬質合金的幾十倍，由于超硬刀具（PDC），“以車代磨”、“硬態加工、干式切削”等先進工藝技術的應用，避免了生產過程中的灰塵，磨削液對環境的污染，實現了清潔化生產。因此，超硬刀具是一種高速、高效、高穩定性及低碳環保的切削工具，是21世紀理想的綠色切削刀具，是未來機械加工的主流。

我國是新崛起的現代制造業大國，近年來國家非常重視超硬刀具高速切削技術的研究開發，國家“863”計劃和科技重點項目都列入超硬刀具的開發應用。我國已引進國外的數控機床和精密機床上千臺，它們加工時的軸轉速都很高，國產刀具只有6000r／min以下，轉速大于1500r／min就必須用進口的刀具。國產刀具均勻性、穩定性差，而且原材料復合片的直徑小，國內企業的復合片（PDC）直徑只有Φ13～Φ19～Φ25，去年以來河南四方達超硬材料股份公司生產的復合片直徑達51mm，全國最大。大直徑復合片是我國今后發展的方向。

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）等屬于高污染，高能耗的產品，也是國家政策限制性的產品，而且普通磨料產能過剩，工藝落后，不適合現代工業的發展。溫家寶總理曾在視察長沙時指示：“要壓縮產能過剩行業，壓縮高污染，高能耗產業，要控制建設規模大，有保有壓……”

隨著現代工業化的發展，加工領域對磨料磨具的要求高了，必須尋找其它的出路。當金剛石價格昂貴的時候，沒有人能想到把金剛石應用于磨地板磚，現在當金剛石價格回落到合理水平，對環境又要求嚴格控制污染的時候。繼續使用普通磨料（碳化硅，剛玉）磨地板磚，生產過程中所產生的粉塵，泥漿對環境污染太大。所以近年來有實力的企業試用金剛石代替碳化硅，立方氮化硼代替剛玉做成磨頭、磨塊來磨地板磚，金剛石用量因此大幅上升，去年一段時間導致一型料、破碎料供不應求，價格猛漲。現由于國際經濟形勢的影響等，金剛石價格回落了。另外，金剛石，cBN代替普通磨料還需要不斷完善使用工藝技術及其它設備配套等，這就需要一個磨合過程也是一個結構調整的過程。但應該看到超硬材料磨具逐步取代普通磨料磨具，這是必然的發展趨勢。因為超硬材料磨具在磨削難加工材料（硬質合金，寶石，陶瓷，鈦，鋯合金等）方面，顯示出了特有的優勢：（1）磨削效率高，磨削時產生熱量少，減少或避免工件表面的燒傷和開裂。（2）超硬材料磨具耐磨性高，磨削精度高、質量好。（3）磨具磨耗小、壽命長、工作效率高、環保好，能改善工人勞動環境和勞動強度。

3 超硬材料在高新技術中的應用

3.1 光伏行業中的應用

所謂光伏材料就是硅晶片所生產的太陽能電池可直接把光能轉變為電能，利用太陽能發電。這對我國發展低碳經濟，推廣新能源技術有重要的意義，我國制訂了推廣“太陽能屋頂計劃”的財政補貼政策，力爭太陽能成為我國的重要能源。太陽能光伏產業的核心技術是太陽能電池材料：單晶硅、多晶硅的切片技術。硅屬于高硬脆材料、切割成片需要特殊的金剛石工具，如金剛石線鋸及其配套的切割設備。金剛石線鋸的制作方法有多種：有機械碾壓法、釬焊法，樹脂粘結法，電鍍法。在我國研究較多的是電鍍法。電鍍法比較經濟有效。電鍍法的制造步驟：鍍前預處理－上砂－加厚－后處理。最難的關鍵技術是上砂法。上砂的方法也有幾種：有埋砂法，落砂法和刷鍍法等。金剛石線鋸，近幾年我國研究的單位較多，進展很快，但仍處于起步階段，與國外相比還有差距，需不斷地改進，逐步推廣應用太陽能技術，這個市場潛力巨大。

總之，太陽能光伏產業是世界上發展速度最快的行業之一。為實現能源和環境保護，世界各國均將太陽能光伏發電作為新能源與可再生能源的發展重點，光伏產業的發展為我國金剛石工具的發展制造帶來巨大的商機。我國與外商合作的有幾家大公司：保定的KVE（英勵公司）、無錫的上德公司、江西新余LDK（賽維公司），還有湖南長沙興業太陽能公司利用15萬m2的屋頂太陽能發電，年發電量2500萬度。

近年來太陽能光伏產業受到世界金融危機的影響和去年美國對光伏產品“反傾銷，反外貼”的“雙反”訴訟。使光伏產業各個環節受到沖擊很大，但光伏產業仍具有廣闊的前景。

3.2 在半導體材料中的應用

隨著半導體技術的發展和完善。對集成電路用的硅片加工要求更高，晶圓切片加工特點，精密切割縫寬誤差不超過±5μm，切縫要小于5μm，速度要高于30000～45000vpm，為了滿足在計算機和集成電路中的使用，要求芯片微型化，高密度化、數字化，對芯片的直徑、平坦化提出了更高的要求。為了降低硅片加工發生崩邊的現象，提高材料利用率，硅片的切割傾向使用超薄片。目前我國生產電鍍金剛石線鋸技術還不夠成熟，還處于研究階段（生產中使用的超薄切割，還依賴于從美國、德國、日本進口，目前外商已在國內辦廠），但通過幾年的努力，超薄片的生產有了很大的進展，還需要我國科技人員繼續努力，自主創新來滿足我國工具和微電子行業的迫切需求。

3.3 金剛石作為熱管理材料

金剛石熱管理材料已成為目前電子工業理想的散熱材料。將金剛石與銅、鋁等金屬復合可獲得高熱導率和可調的膨脹系數，能滿足系統散熱和組裝工藝的要求，國內外研發熱管理材料都集中于碳纖維和金剛石體系，已取得較大的進展……

4 結論

當今時代，科技飛速發展，世界經濟變化動蕩，國內外市場競爭激烈，企業壓力增大，原材料價格上漲，勞動力成本上升，人民幣升值。節能減排，發展綠色低碳經濟是我們面臨頭等重要任務，這對中小企業是一個嚴峻的考慮。企業家自身的理念與價值觀要轉變，使企業轉型升級，不要抱著做普通大路貨的產品不放，要有自主創新意識，要有自己特色的產品，特有的技術、特殊的銷售能力、摸清市場需求規律，分析產品暢銷和滯銷的原因，才能心中有數。要有敏銳的眼光，科學的態度搶占發展先機，要有對市場規律的深刻認識，更好地把握轉機、廣交朋友、獲取信息、才能更快地捕捉商機。在當前形勢下，只有化挑戰為機遇，堅定信心迎難而上，才能抓住機遇、謀求更大的發展，作出更大的新貢獻。