发展的中国超硬材料工业
1、引言
自1963年第一颗人造金刚石在华夏大地诞生后，经历37年的不平凡历程，取得举世瞩目的成就，归纳起来大致有以下几点：
1.1 已形成以高技术产业，合成技术经过三次大的飞跃，使得这门跨多种学科的技术变得越来越完整，越来越成熟起来。
1.2 已成为世界上中、低档次人造金刚石单晶（包括粗制微粉）的生产和出口大国：CVD薄膜的工业化生产正在逐步展开；纳米结构金刚石产业化条件基本具备，应用开发正在策划之中；立方氮化硼生产有所发展，仍不理想，但潜在前景很好；PCD成功地用于地质、石油钻探，是世界金刚石钻探发展中一大创举，对推动我国和世界金刚石钻探技术的发展做出了重大历史性贡献。
1.3 已涌现出像黄河实业集团公司、杭州高发磨料磨具（集团）公司、亳州金刚石（集团）公司、河南中南机械等一批年产3000万拉以上的人造金刚石生产企业，表明规模化生产格局已经形成。
1.4 铰式六面砧压机的大型化进程明显加快，可是高品级金刚石产业化亟待解决。
物换星移，世纪交替，回顾以往的成就固然可喜，但展望未来的任务更为艰巨。我们需要追忆的往事很多很多，本文仅就超硬材料的发展问题做一简要综述。
2、人造金刚石的需求与发展
有需求就有发展，这点从我国人造金刚石发展历程可得到充分说明。
第一阶段：硬质合金的机械加工引发了我国人造金刚石发展的起步。
第二阶段：发展的主要动力来自地质钻探对高品质金刚石的需求。60年代末，我国探矿工作者认识到，要发展我国钻探事业，靠进口天然金刚石是不行的，必须走自力更生的道路，立足于国内人造金刚石制造地质钻头。
经过三年的推广表明，人造金刚石钻头可以钻进坚硬地层，在坑钻进中能打任意角度的钻孔（钢粒钻进无法解决），实现了“以钻代坑”，人造金刚石钻进完全可以取代钢粒钻进，有其不可比拟的优越性，与天然金刚石钻头比较，成本低，效率高，适应范围广。随着人造金刚石钻探的逐步推广，钻探台日效率逐年提高，钻孔质量也相应提高，单位成本下降，人造金刚石钻探优势充分显示出来。我们的实践结论是，由于地质钻探的需要，推动了我国人造金刚石的发展，人造金刚石的发展，又促进地质钻探技术的不断发展与提高。
据1990年主要地质勘探部门统计：冶金部已普及人造金刚石钻探，中国有色金属总公司93%的钻探工程采用人造金刚石钻探技术、核工业部金刚石钻机开动台数占89.8%、地矿部机械岩心钻探工作量159.7万米，金刚石钻探工程量占67%，其中人造金刚石钻头使用比例占67.5%，实践证明，人造金刚石在地质钻探的应用，使我国钻探技术发生了全面改革，并已超越地质钻探范畴，在工程地质、水文水井、基础工程施工、油、气钻探、矿山和建筑施工等部门。
第三阶段：石材加工的需求给人造金刚石的大发展带来前所未有的机遇。从市场来看，目前我国人造金刚石最大的市场去向是石材加工。据中国石材协会统计，我国1998年共生产板材1.35亿平方米（其中花岗石7500万平方米、大理石3500万平方米、水磨石2500万平方米）。若以加工每平方米板材耗用1.4克拉金刚石计算，需耗用人造金刚石近2亿克拉。去年，我国加大对基础设施和建筑工程的投入，一大批“世纪工程”相继完工，市场上对装饰石材的需求量回升。近几年来，用于锯切混凝土和建筑装修的金刚石工具市场发展很快，小锯片出口市场已基本稳定，这部分耗用的金刚石大约为5000—8000万克拉，所以，加上加工石材所需的金刚石，这块市场总量将接近3亿克拉。
此外，出口的需求，我国已成为世界上人造金刚石最大的生产大国和最大的出口大国。从目前出口地区来看，美国仍然是我国人造金刚石最大出口国和转口集散地。随着亚洲经济的复苏，人造金刚石需求增长明显，尤其是日本市场增势强劲。据日本大藏省关税局发表的资料，日本1999年，共进口工业人造金刚石（含天然）10,187万克拉，其中从中国进口人造金刚石3, 335万克拉，占进口总量33%，差不多比1998年增加4倍，是近10年从中国进口人造金刚石最多的一年，首次突破该国进口量30%。
3. 立方氮化硼生产有所发展、应用潜在市场很大
立方氮化硼（CBN）是1957年，由美国G.E.Co首先研制成功的高科技磨削材料。它的问世给硬韧难加工材料的加工带来了革命性变革，它不仅大大提高了劳动生产率、加工精度和加工质量，而且减轻了能量消耗和环境污染。因此，世界工业发达国家投入了大量的人力、物力进行CBN及制品的开发和应用研究。
1966年CBN在郑州磨料磨具磨削研究所问世，1983年完成高品级CBN的研制，1994年又完成了微晶立方氮化硼的科研任务。通过实验研究，该课题所制得的CBN微晶，在主要性能上接近G.E.Co CBN550产品水平。
自1966年我国研究成功立方氮化硼后至今已有34个年头了，经过34年的发展，始终没有形成规模生产的格局，CBN生产的总态势是分散附属在为数不多的金刚石生产企业中，生产量小、品种单一、品级不高。虽然在此期间国内推出了一些CBN及其制品的科研成果，但得到推广的不多，从而严重地制约着CBN的发展。为此，这里将要着重提及的是发展中的河南富耐克超硬材料有限公司。
该公司的前身是武陡超硬材料厂，始建于1988年，1997年到郑州国家高新技术产业开发区落户、1988年河南省科学技术委员会授予高技术企业的光荣称号、1999年11月通过国际ISO9002质量管理体系认证、通过十多年的发展已成为我国唯一的、最大的、专业化CBN生产企业。
该公司生产规模已达年产量CBN单晶1800万克拉、微粉200万克拉、CBN陶瓷砂轮500片、CBN刀具2000把、年实现总产值3250万元，其中，CBN单晶及微粉产品为主要产品，80%出口美国、日本、欧洲、台湾、等国家和地区。
目前，全球需求量为1.5亿克拉，并以每年25%的速度递增，该公司已于一些国际知名的磨具制造企业建立长期供货关系，其中有享誉全球的美国、德国、奥地利、日本磨具制造企业，说明该公司产品得到了国际的认可，表明我国CBN产品具有较高水平，是有国际竞争实力的。
为了保持在国内外市场竞争的实力，该公司以院所为依托，不断开发出新产品，并形成产品系列。
CBN—800是在1988年郑州磨料磨具磨削研究所转让的黑色CBN技术的基础上经过不断完善的产品。
CBN—900、CBN—990和CBN—850所采用技术是与吉林大学合作，于1998年研制成功的。
CBN—800已生产900万克拉以上，CBN—900、CBN—850产品已分别生产300万克拉以上，表明上述CBN单晶已具备产业化条件。
4. PDC（PCBN)的开发与应用
郑州磨料磨具磨削研究所于1969年率先开展PCD的研制。工艺方法与国外显著不同。其设计思路一般基于两个方面，其一，选择的粘结剂应与金刚石有一定的粘结作用；另一是，选择的粘结剂在高压高温下生成的物相自身应具有良好的耐磨性，80年代中期以前，大部分生产厂采用Ni-Si-B体系和80年代中期以后，普遍采用Ti-Si-B体系就是根据上述原则选定的，可以认为，我国的聚晶烧结体不论在理论研究，还是在工艺研究方面均有独到之处，特别是在确定和控制聚晶烧结体耐磨性的工艺方法，自锐性研究以及结构与性能方面的研究取得了令人瞩目的成果。我国PCD的耐热性能事世界一流的，这已为世界所认可。
刀具用PCD于PCBN圆片有越来越大趋势，因为其直径越大，可切割的刀头数量越多，也越经济，故进口大片子走俏国内市场。作为石油、地质钻探用PCD并非越大越好，实践证明，最大以Φ 19mm较为理想，河南新亚公司的石油与地质钻头用PCD的规格较全，基本上满足了市场需求。
4.1 石油和地质钻头
PCD 1972年成功地用于地质钻探，在国外无此先例，另PCD用于钻头内外径的保径及可制成扩孔器，亦属我国首创。1975年《人民日报》称人造金刚石已成套地用于地质钻探（包括人造金刚石单晶和多晶金刚石、钻头制造、钻进工艺），不仅是中国的技术进步，也推动了其他国家将人造金刚石用于地质钻探的步伐。1975年PCD成功用于石油钻探，在胜利油田用喷射式三刮刀PCD钻头，一只钻头可钻穿三组地层，每只钻头进尺2400米以上，最高可达3135米，时效60米/时（平均），与硬质合金三刮刀钻头相比，每口井当时可节约2万元，时间节省78%。与牙轮钻为主的井相比，可节约成本137-226%，时间可节约5-8天。
1987年在胜利油田渤南地区会战中，有55口井从二开使用这种钻打到井深2000—2600米、平均单只进尺2104.77米，与同地相同井段使用的P型牙轮钻头相比，机械转速提高70%，每米钻进成本可减少14.9元，降低34.41%。渤南会战共使用127只PCD刮刀钻头，累计进尺222,631米，占钻井总进尺的40.1%，可节省钻井费用330多万元。据不完全统计，14年来仅在胜利油田共推广应用4000多只PCD刮刀钻头，总进尺800多万米，与牙轮钻头相比，以每米钻进成本减少14.9元计，可节省钻井费用约1亿1920万元，并为胜利油田实现钻井速度翻番和钻井速度连续8年稳居全国同行业之首发挥了重要的作用。
随着工农业的增长，我国的能源消耗速度增加，保持与增加原油、天然气的产量是一项基本国策，为此国家制定了稳定东部，开发西部的方针，从而适合于油田钻进的PDC钻头需要量相应增加。
我国是煤炭生产大国，在煤田勘探中PDC钻头用量也日益增多，与硬质合金钻头相比效果十分显著。
4.2 切削刀具
80年代中期，我国已开始进行PCD和PCBN刀具的研制，PCD和PCBN刀具的需求以汽车和摩托车制造厂和其另配件生产企业为主，大约占整个国内的需求的80%以上，其余分布在家用气器、通用机械等行业，需求量逐年上升，80年代每年2000—3000把，到97年大约需求26000把。
欧洲工具制造商对PDC和硬质合金工具寿命做了比较，表明PDC工具长10倍，这些数据基于一定范围的木制品的平均结果，包括中密度纤维板、硬天然木材和原纸板和层压纸板。
木材加工业中使用PCD切削工具进行大批量生产的三个主要优点表现在：增加了工具寿命；减少了非工作时间；改进了加工质量。
在欧洲，强化复合地板的年使用量已达6000—7000万平方米。目前，国内已有十几家中外合资企业引进国外先进技术和设备生产强化复合地板，所使用刀具全部从国外进口，价格昂贵，交货期长，修磨不便。因此，给发展这种专用刀具提供了很大空间。
4.3 拉丝模
1978年PCD成功应用于拉丝模，不仅提高了拉丝的质量和效率，还促使了拉丝工业的技术进步。
5、CVD金刚石膜—21世纪的材料
早在20世纪50年代和60年代末，苏联、美国等国的科学家已先后在低压下实现了多晶薄膜的化学气相沉积（CVD）。虽然当时其沉积速度非常之低，但无疑是奠基性之举。由于80年代初期金刚石薄膜的低压气相生成取得了突破性进展，全世界掀起了一股金刚石薄膜研究的高潮。国家科委高技术计划新材料领域及时安排了金刚石薄膜的制备与应用研究这个跟踪项目。
研究证实高质量的CVD金刚石多晶薄膜硬度、导热、密度、弹性（以杨氏模量表征）和透光性物理性质已达到或天然金刚石。
进入20世纪80年代以来，成功地发展了多种CVD金刚石多晶薄膜的制备方法，薄膜的生长速率、沉积面积和结构性质已逐步达到应用的程度。
在CVD金刚石薄膜的应用基础研究中，有很多课题可以根据应用方向的需要加以选择，研究条件中最重要的是测试、分析的诊断手段，国内已基本具备，因而是能够有所作为的。
侯立指出，金刚石膜近期和未来的重要应用是国民经济的基础—机械加工工业。金刚石膜产品已在汽车行业、航天行业、拉丝制网行业得到广泛的应用，部分产品已经小批量销往国外市场；而且要不断开发CVD金刚石新的生长技术，开拓CVD金刚石膜在更高层次的声学、热学、光学、电学的应用。
匡同春等指出，随着现代集成制造系统加工中心、流动机加工车间（FMS），计算机集成制造系统（CIMS）的问世，以及机械加工正朝着精密、高速、高生产率切削的方向发展，对刀具性能提出了相当高的要求，开发各种耐磨性优良、能长时间进行稳定加工的超硬切削刀具是必然趋势。
为此，国内的一些高等院校、科研院所和工具生产厂家，如吉林大学、清华大学、上海交通大学、湖南大学、沈阳金属研究所、人工晶体研究所、广州有色金属研究所、株洲硬质合金厂等也正加紧相关的产品开发研究，实现CVD金刚石刀具产业化已为时不远。
近年来，国内加工CVD金刚石膜的技术也得到了迅速发展，最基本的金刚石膜的切割、研磨、抛光以及金刚石膜与其它刀体材料的粘结（钎焊）技术。目前，传统的机械抛光方法在金刚石膜的加工中，仍占有一定的地位，但其加工质量和成本，已远远不能适应CVD金刚石膜实用化的进程。不久的将来，各种先进的热化学方法、激光技术、光学加工方法、分子剥离技术、离子轰击技术和涂层技术将成为CVD金刚石膜热学、电子学、声学和半导体应用及其产品制备的只要加工手段。
据国际资源开发（IRD）公司统计数字表明：CVD金刚石膜产品将以几乎两年增长一倍的极快速度走向市场，全世界金刚石膜的销售额，1990年约为2亿美元，1995年约为20亿美元，2000年预计可达到40亿美元。有关专家预计，2010—2020年金刚石膜直接市场将超过100亿美元，相当于目前合成人造金刚石产品市场的2倍。因此，金刚石膜被誉为二十一世纪的材料。
尽管由于金刚石膜的某些加工的制备关键技术，还没有完全解决，导致实际市场的规模低于预测的结果，但人们十分清楚，某些问题的解决将会使金刚石膜市场成倍，甚至成数量级的增长。
可以预期，通过在金刚石膜科学技术领域中从事应用基础研究的我国科学工作者的共同努力，将会有更多的研究成果达到国际前沿的研究水平，从而推动我国CVD金刚石膜这一重要的新型功能材料领域中的技术发展与产业形成作出应有的贡献。
6、21世纪的“工业维他命”—纳米结构金刚石
纳米结构金刚石是一种兼具有金刚石和纳米颗粒双重特性的新型材料。这种金刚石自然界不蕴藏，静压法也制造不出来，由于其生长条件苛刻，所以其合成技术直到1987年才由俄罗斯在实验室率先研制成功，90年代初才投入批量生产。1993年中科院兰州化学物理研究所，在国内首先用炸药爆轰法合成得到了平均粒径为1—10nm的纳米结构金刚石。据了解目前从事这一研究的单位还有：中国人民解放军第二炮兵工程学院、北京理工大学、东南大学材料系、西南流体物理研究所、西北核技研究所、北京溥泽科技开发中心等。可见，一支高素质的纳米结构金刚石研究开发技术队伍已基本形成，并在爆轰技术、机理研究、提纯处理、物理测试等方面取得可喜进展。
炸药爆炸合成金刚石的方法与传统的石墨相变法（包括静压法和动压法）和化学气相沉积（CVD）法不同，它是以负氧平衡炸药TNT和黑索金RDX经一定比例混配作原料（其中TNT为碳源，RDX为高压源），置入密闭爆炸罐中，内充惰性气体（如CO和N），通过引爆和一定的爆温（3000—5000K）爆压（20—30Gpa)控制，有机炸药分子解离成碳原子或是原子团，在短瞬间（若干微秒）冷却，收集爆炸固相（爆轰灰）；除去雷管导索等杂质，用强酸除去无定形碳及金属杂质，再用蒸馏水冲洗至中性，即可得到纳米结构金刚石。
为了解纳米结构金刚石特性，人们利用X射线衍射、透射电镜、激光拉曼光谱、红外吸收光谱、差热和热失重等对纳米结构金刚石的特性进行了表征，分析了不同合成条件对纳米结构和性质的影响。
纳米结构金刚石的应用在美、日、俄、乌等国家已经取得了很大进展。我国开展纳米结构金刚石应用研究虽然起步较晚，但经过努力也已取得成果，例如，第二炮兵工程学院与西安交大合作，研究开发了一种高效专用内燃机磨合油，显著缩短磨合时间，提高磨合品质，改善发动机配合副表面耐磨性能；与第四军医大学合作，把纳米结构金刚石作为生物抗体的载体，因它具有很好的表面惰性，不含重金属杂质，不会使生物抗体发生结构和性能上的变化，不会影响其功能的发挥，有可能在医疗上得到广泛的应用；中科院兰州化学物理研究所、西安核技术研究所在复合镀层、橡胶和树脂增强方面作了有益尝试，哈尔滨工业大学用含有纳米结构金刚石的研磨液对陶瓷滚珠进行磁流体研磨，得到了粗糙度只有0.013μm的表面等等。以上应用只是个初步的，但是个良好的开端。纳米结构金刚石能否产业化，主要取决于应用。因此，加大纳米结构金刚石应用技术的研究与开发力度则是关键，而实行科研、生产、应用的“三结合”对加速应用步伐又是十分重要的。
综上所述
1. 需求拉动了超硬材料的发展，而超硬材料的发展又推动着机械加工技术、地质和石油钻探技术，以及石材加工技术等的技术进步和发展。
2. 随着超硬材料合成技术的不断发展，物性研究的不断深入，将为其应用领域的继续扩大提供了可能。因此，我们应该积极能动的去搜索，去发现，去开拓它的应用，以求扩大其新的需求。
3. 超硬材料未来的发展，仍离不开应用的需求，由于超硬材料所具有的一系列优异技术特性，随着现代化工程技术的高速发展，可以肯定它的应用领域会越来越宽的。
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