超硬材料报告

超硬材料的性能和应用材料成型及控制工程2009级2班张天珍学号：20091420224摘要：超硬材料在工业发展进程中扮演了至关重要的角色。

随着时代发展和技术的更新，将越来越受到人们的关注。

本文立足事实基础，以超硬材料多年的发展历史为背景，详细介绍了超硬材料的基本性能以及在工业、军工、航空航天、电子、机械、汽车、机床工具、精密制造、医疗、石材、建材等方面的应用。

重点介绍了金刚石和立方氮化硼的性能和应用关键词：超硬材料金刚石立方氮化硼性能应用1、引言金刚石及立方氮化硼称为超硬材料,是因为它们具有超凡的高硬度特性。

金刚石是自然界已知物质中最硬的物质, 还具有高绝缘性、优异的耐磨性和良好的导热性。

立方氮化硼的硬度仅次于金刚石, 还具有高耐磨、低摩擦系数、优异的耐热性和化学稳定性,特别是对铁族金属呈化学惰性,尤其适合于加工硬而脆的铁族金属材料。

立方氮化硼的这一特点是金刚石所不能比拟的。

这样, 立方氮化硼就以其独特的优越性与金刚石相互补充,构成了超硬材料的两大体系。

超硬材料具有其他材料无可比拟的优异力学、热学、光学、声学、电学和生物等性能，享有“材料之王”赞誉，是用途广泛的极端材料，不仅可加工世界上所有的已知材料，而且可制成性能极端的功能性器件，在诸多应用领域具有不可替代性。

超硬材料及制品已广泛应用于军工、航空航天、电子、机械、汽车、机床工具、精密制造、医疗、石材、建材、机场、清洁能源、高速铁路、公路、石油与天然气钻井、地质勘探、煤炭及矿物采掘、救灾抢险、家庭装修等国计民生的各个领域。

2、金刚石的性能和应用2.1金刚石的发展史人类最早发现先金刚石是在公元前800年，但直到18实际末，才开始对金刚石有了系统科学的研究。

法国人拉瓦锡发现金刚石可燃烧，英国人费南腾研究证实金刚石是碳的同素异形体。

1955年由美国通用电气公司首次以石墨为原料在高温高压条件下合成出金刚石，从此，工业技术领域进入新的时代。

2.2金刚石的性能金刚石是自然界已知物质中硬度最高的材料。

莫氏硬度为10 ,是石英8.5倍，刚玉的4.4倍，立方氮化硼的1.56倍。

特别指出，（111）面的硬度大于（110）面的硬度大于（100）面的硬度。

其耐磨性和研磨能力超过了所有磨削材料。

金刚石的弹性模量极大, 约为1050 GPa 。

抗压强度约为885 MPa , 抗拉强度约为4GPa。

金刚石的熔点在4000℃以上, 热导率是已知材料中最高的, 室温下为2000 W /m ·K , 大约是良导热体铜的 5 倍。

具有高熔点、高热导率、低比热容、低线胀系数性质。

金刚石热膨胀系数与温度成正比关系, 随温度的上升而线性增大。

金刚石的热稳定性没有石墨好。

天然金刚石没有磁性，人造金刚石具有磁性，并依触媒材料类型不同而异。

金刚石是一种良好的绝缘体。

室温下其电阻率为·c m 。

金刚石电学性能的最大特点是可掺杂性, 通过适当的掺杂可以使金刚石获得半导体材料的性能。

金刚石是透光波段最宽和透光性能最好的材料。

密度为3.52g/cm3，折射率为2.417，色散率为0.044。

从紫外光到可见以及红外光的波段内其透光率都很高, 还能透过X 射线和微波。

金刚石中的传声速度约为16 20 0的m/s ,是传声速度最快的材料。

金刚石的化学性质也极其稳定。

纯氧中7 20 - 8 0 ℃开始氧化, 室温下几乎不与酸、碱等腐蚀介质发生反应, 只是在高温下会受到某些金属熔液的浸蚀。

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。

2、3金刚石的应用金刚石的众多优异性能使得其在机械、电子、光学、传热、军事、航空航天、医学和化学等领域有着广阔的应用前景。

人工合成的金刚石形态有两类: 颗粒状金刚石和薄膜态金刚石。

应用的主要方面有: 切削刀具、磨削工具、电子材料、高温半导体、光学窗口材料、散热元件、传声材料以及特殊用途的涂层。

颗粒状金刚石是优良的磨削材料, 主要用于金刚石研磨膏、金刚石砂轮和金刚石砂纸的生产。

颗粒状金刚石通过聚晶烧结而制成金刚石钻头、金刚石锯片、金刚石拉丝模等, 应用于表面精加工、工具修整、地质岩心钻探、石油钻井、石材加工等方面。

薄膜态金刚石在机械领域的应用主要是作刀具、模具及耐磨件的涂层。

在刀具的加工表面沉积一层金刚石薄膜, 可以改善刀具的加工性能, 大大提高使用寿命。

影响金刚石薄膜在刀具中广泛应用的重要原因之一是金刚石薄膜与刀具基材附着力弱的问题。

当金刚石膜与基材的热膨胀系数相差较大时, 由于存在较大导致金刚石膜的剥落。

提高金刚石膜与基材附着力的措施主要有基材表面预处理、过渡层或多层结构、刀具的高温处理等。

工业金刚石制品种类有：磨具：包括固结磨具、涂附磨具和松散磨具，如砂轮、砂瓦、异形磨头、精磨磨头、研磨膏等。

锯切工具：主要包括锯切大理石的、花岗岩、混泥土用的圆锯、带锯、排俱、绳锯切割金属以及半导体材料的内圆切割片和外圆切割片。

钻探工具：包括地质石油、煤炭、冶金等部门的勘探和开采用的钻头、扩孔器，以及建筑工程用套转。

切削工具：金刚石聚晶复合片和天然大单晶制成车刀、镗刀、铣刀，用来精加工汽车、机械上的非铁金属零件及塑料、陶瓷之类的非金属材料。

修整工具：成型修整滑轮，修正笔、修正块。

拉丝模具：金刚石聚晶制成拉丝模，拉制电线、灯丝、筛网丝等各种金属细丝。

其他工具：划线刀、玻璃刀、雕刻刀、套料刀、什锦锉、量具测头、轴承、唱针、金刚石手术刀。

特殊仪器：硬度计压头、表面粗糙度仪测头、高压枪压砧、内燃机喷嘴、大功率三极管、红外窗口、微波器、大规模集成电路中的金刚石散热元件、电阻温度计等具有特殊声、光、电、热性能的元件金刚石具有极高的热导率, 导热性能优越, 同时又具有高绝缘性, 可作为大功率微波器、激光器和半导体开关器件的散热片, 也可作为大规模集成电路的绝缘散热衬底。

目前大多数散热片都是用铜材制造的, 而金刚石的热导率是铜的5 倍, 以金刚石代替铜来制备散热元件可大大提高效率。

高科技的发展对光学材料提出了更高的要求, 要求理想的光学材料具备以下特性: 在使用波段内具有较高的透过率；低的散射与折射；高的强度和热导率；优良的耐磨性能和耐腐蚀性能等。

金刚石优良性能的集合使其成为最佳的光学窗口材料,其综合性能优于常用的镁铝尖晶石、蓝宝石等红外光学材料, 可用于导弹、宇航器、坦克、潜水艇以及X射线、激光窗口。

例如, 金刚石薄膜制成的导弹红外光学窗口, 既可以准确接收和发射红外信息, 又可以抵挡导弹高速飞行时产生的强烈摩擦以及强烈的风、砂雨水的冲刷与浸蚀, 对提高导弹的飞行速度及在恶劣气候条件下的作战能力均有益处。

金刚石在声学方面的应用主要作为高保真扬声器的振动膜。

良好的振动膜材料主要有以下特点:质量轻、弹性模量高、传声速度快、有适当的内部损失。

金刚石的弹性模量和传声速度最大, 密度也不大, 多晶的金刚石膜其晶界处正是造成内部损失的地方, 所以可以认为金刚石薄膜是最佳的振动膜材料。

金刚石潜在的应用领域还有: 利用其耐磨耐蚀性能而作为计算机中高存储密度硬磁盘的保护涂层。

利用其高抗血凝性, 可用作人工关节、心脏瓣膜等等。

3、立方氮化硼的性能及应用3.1立方氮化硼的性能ｃＢＮ立方氮化硼，目前在自然界还没有找到这种物质的存在，是人工合成的一种超硬材料。

ｃＢＮ的主要性能如下：（１）高硬度．具有高的硬度和热稳定性，显微硬度仅次于人造金刚石（２）高耐磨性．ＰｃＢＮ的耐磨性远远高于硬质合金和陶瓷，其刀具的使用寿命通常是陶瓷刀具的３～５倍，硬质合金刀具的５～１５倍．（３）高化学惰性．结构稳定，具有高的抗氧化能力，化学稳定性好，与金刚石相比尤其好，在高达1100℃～1300℃的温度下也不与铁族元素起化学反应，因此特别适合于加工黑色金属材料；（４）高热稳定性．其热稳定性优于人造金刚石，在高温下仍能保持足够高的力学性能和硬度，具有很好的红硬性；（５）高导热性．导热系数比金刚石小，但比硬质合金高，具有良好的导热性。

６）抗弯强度高；作为磨具材料，使用寿命长、耐磨性好．但是，单晶立方氮化硼晶粒尺寸小，各向异性，存在容易劈裂的解理面，脆性大，极容易发生解理破损。

3.2 氮化硼材料的应用（１）用作磨具材料．小颗粒的ｃＢＮ单晶主要用作磨具材料．ｃＢＮ磨具是借助于结合剂的作用将ｃＢＮ磨粒粘结成具有一定几何形状的制品．立方氮化硼磨具对于黑色金属，特别是硬度高、韧性大、高温时强度高和热传导率低的材料，具有良好的磨削性能。

立方氮化硼磨具用于高速高效磨削和珩磨加工，可使磨削效率大大提高；其磨削精度高，砂轮寿命长，节约了砂轮更换修整、机床调整和工件检测等许多辅助时间。

立方氮化硼微粉，用在精密磨削、研磨、抛光和超精加工，以达到高精度的加工表面。

适用于树脂、金属、陶瓷等结合剂体系，亦可用于生产聚晶复合片烧结体，还可用做松散磨粒、研磨膏。

CBN磨具与普通磨具(刚玉，碳化硅磨具)相比，具有磨削锋利、耐磨性好、加工效率高(便于实现自动化)、加工表面质量优(工件表面内有压应力)、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磨具作为一类高速、高效、高精度、低磨削成本、低环境污染的高性能磨具产品，代表了当今磨具产品的一个主要发展方向，应用前途十分广阔。

工业发达国家陶瓷结合剂CBN磨具应用已由难加工材料扩展到一般材料，由一般磨削(内、外圆磨削)扩展到成型磨削、精密磨削、无心磨削、多缓进给磨削、高速磨削、珩磨等多种磨削形式，应用领域涉及工具、刃具、轴承、拖拉机、摩托车、机床、航天、军工、陶瓷等许多工业领域。

（2）用作刀具材料。

ＰｃＢＮ刀具坯料主要有３种：第一种是整体纯ＰｃＢＮ烧结片；第二种是以ｃＢＮ为耐磨层、以硬质合金为衬底层经高温高压共同烧结而成的复合片；第三种是先烧结制备ＰｃＢＮ刀片坯料，再焊接到硬质合金上制备而成的复合片。

ＰｃＢＮ对铁族金属及其合金的加工特别有效，从而解决了金刚石工具难以加工铁族金属及其合金的问题．ＰｃＢＮ特别适合于高速切削加工。

ＰｃＢＮ刀具可以高精密切削，已广泛应用于数控机床，适合高硬度材料的切削加工，特别适合加工以前只能磨削加工的高硬度难加工材料，实现以车代磨、以铣代磨，能获得较好的工件表面质量。

ＰｃＢＮ刀2可以实现硬态干式切削，加工过程中省去了切削液的使用，有利于环境保护和工人身体健康。

(3) 用作功能材料．随着微电子技术的飞速发展，元器件组装密度和集成度越来越高，必须克服发热器件的散热问题．高导热性氮化硼可以作为填料制备复合材料，用于封装材料，满足高频场合发热元器件的散热需求．用氮化硼填充硅橡胶制备导热复合材料，随着ｃＢＮ含量的增加，复合材料的热失重和热膨胀系数明显降低，导热系数和耐热性升高，但对橡胶的硫化反应影响不大。