超硬材料目前簡(jiǎn)況及今后發(fā)展趨勢(shì)①

瞿銘

（全國(guó)超硬材料專家委員湖南超硬材料協(xié)會(huì)，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

1 超硬材料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

超硬材料作為一種重要的工程和功能材料，在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，它的應(yīng)用范圍不斷地?cái)U(kuò)大，而且向高新技術(shù)行業(yè)發(fā)展。超硬材料行業(yè)是一個(gè)朝陽(yáng)行業(yè)。前兩年不僅生產(chǎn)量增加了，而且質(zhì)量也提高了，產(chǎn)品供不應(yīng)求，出現(xiàn)超常規(guī)的發(fā)展，工業(yè)增加值和利潤(rùn)都有大幅度的增加，形勢(shì)一片大好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)金剛石產(chǎn)量占世界90%以上，立方氮化硼的產(chǎn)量占世界60%以上。中國(guó)是超硬材料的生產(chǎn)大國(guó)，現(xiàn)在正向強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。雖然從去年九月份開(kāi)始，形勢(shì)出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)變，這是因?yàn)閲?guó)外的經(jīng)濟(jì)危機(jī)和國(guó)內(nèi)壓機(jī)臺(tái)數(shù)的增加和擴(kuò)大所造成的。這是自然的回歸，是符合國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律的。

我國(guó)的金剛石工具近幾年也有很大的發(fā)展，但仍然滯后于金剛石的發(fā)展，有人統(tǒng)計(jì)，近兩年金剛石砂輪增長(zhǎng)60%，金剛石鉆頭增加30%，金剛石鋸片增長(zhǎng)17%左右。但產(chǎn)品仍然以中、低檔為主，統(tǒng)稱為D2y市場(chǎng)。高檔專業(yè)市場(chǎng)仍然是發(fā)達(dá)國(guó)家所占有，我國(guó)占世界市場(chǎng)80%的份額，但經(jīng)濟(jì)效益低，只占世界市場(chǎng)的20%左右，形成低價(jià)賣出，高價(jià)買進(jìn)的局面。這種狀況必須要改變。國(guó)家在“十二五”規(guī)劃中指出：要把經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的主攻方向，把科技創(chuàng)新作為加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要支撐。搞好產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要。有人說(shuō)我國(guó)的金剛石質(zhì)量已達(dá)到世界先進(jìn)水平，我看僅僅是極少部分，不然為什么我國(guó)金剛石價(jià)格比國(guó)外的低4～5倍呢？一定要認(rèn)清國(guó)內(nèi)外形勢(shì)，不能滿足現(xiàn)狀要更上層樓。

大家知道，目前的形勢(shì)不那么樂(lè)觀，金剛石價(jià)格逐步回落，特別是超常規(guī)的一型金剛石價(jià)格已跌到低谷，許多工廠無(wú)法繼續(xù)生產(chǎn)。我們要根據(jù)市場(chǎng)需求，努力開(kāi)拓科技含量高的新產(chǎn)品。隨著我國(guó)城市化、現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程加快，新的結(jié)構(gòu)工程鉆頭，薄壁鉆，復(fù)合齒，球齒，繩鋸，線鋸等工具的應(yīng)用，對(duì)金剛石提出新的要求：如金剛石的粒度、強(qiáng)度、晶形等參數(shù)的要求更高、更專業(yè)，產(chǎn)品價(jià)格也會(huì)大大地提高。只要我們跟上新型工業(yè)化的步伐，開(kāi)拓創(chuàng)新，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在經(jīng)濟(jì)危機(jī)中也能找到好機(jī)遇。

2 超硬材料行業(yè)今后的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 超硬材料與硬質(zhì)合金工具（刀具、釬具、鉆具）等相結(jié)合。

20世紀(jì)80年代初，美國(guó)GE公司和梅加公司就想到把人造金剛石用在硬質(zhì)合金工具上。將金剛石復(fù)合片做鉆頭用于開(kāi)采油汽田，煤田，梅加公司用金剛石復(fù)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(yàn)，結(jié)果金剛石復(fù)合鉆頭比普通的硬質(zhì)合金鉆頭使用壽命提高20多倍，鉆速快、鉆進(jìn)成本低。由于技術(shù)不斷地進(jìn)步，最近報(bào)道使用壽命提高700倍。我國(guó)在上世紀(jì)80年代末也開(kāi)始試制復(fù)合片鉆頭，應(yīng)用較好，逐步代替了國(guó)外進(jìn)口鉆頭。但復(fù)合齒、復(fù)合技術(shù)難一些，正在起步試制階段。復(fù)合技術(shù)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(zhì)合金有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。這是一種技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)革命，是未來(lái)工具的發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，航空業(yè)、汽車工業(yè)、高鐵、地鐵、隧道開(kāi)通，軍工業(yè)的需求和發(fā)展，對(duì)刀具、鉆具、釬具的要求更高了，如對(duì)難加工的材料Si－Ae－Mg合金材料，用硬質(zhì)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(zhì)合金的幾十倍，由于超硬刀具（PDC），“以車代磨”、“硬態(tài)加工、干式切削”等先進(jìn)工藝技術(shù)的應(yīng)用，避免了生產(chǎn)過(guò)程中的灰塵，磨削液對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了清潔化生產(chǎn)。因此，超硬刀具是一種高速、高效、高穩(wěn)定性及低碳環(huán)保的切削工具，是21世紀(jì)理想的綠色切削刀具，是未來(lái)機(jī)械加工的主流。

我國(guó)是新崛起的現(xiàn)代制造業(yè)大國(guó)，近年來(lái)國(guó)家非常重視超硬刀具高速切削技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，國(guó)家“863”計(jì)劃和科技重點(diǎn)項(xiàng)目都列入超硬刀具的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。我國(guó)已引進(jìn)國(guó)外的數(shù)控機(jī)床和精密機(jī)床上千臺(tái)，它們加工時(shí)的軸轉(zhuǎn)速都很高，國(guó)產(chǎn)刀具只有6000r／min以下，轉(zhuǎn)速大于1500r／min就必須用進(jìn)口的刀具。國(guó)產(chǎn)刀具均勻性、穩(wěn)定性差，而且原材料復(fù)合片的直徑小，國(guó)內(nèi)企業(yè)的復(fù)合片（PDC）直徑只有Φ13～Φ19～Φ25，去年以來(lái)河南四方達(dá)超硬材料股份公司生產(chǎn)的復(fù)合片直徑達(dá)51mm，全國(guó)最大。大直徑復(fù)合片是我國(guó)今后發(fā)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(chǎn)品，也是國(guó)家政策限制性的產(chǎn)品，而且普通磨料產(chǎn)能過(guò)剩，工藝落后，不適合現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。溫家寶總理曾在視察長(zhǎng)沙時(shí)指示：“要壓縮產(chǎn)能過(guò)剩行業(yè)，壓縮高污染，高能耗產(chǎn)業(yè)，要控制建設(shè)規(guī)模大，有保有壓……”

隨著現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展，加工領(lǐng)域?qū)δチ夏ゾ叩囊蟾吡?，必須尋找其它的出路。?dāng)金剛石價(jià)格昂貴的時(shí)候，沒(méi)有人能想到把金剛石應(yīng)用于磨地板磚，現(xiàn)在當(dāng)金剛石價(jià)格回落到合理水平，對(duì)環(huán)境又要求嚴(yán)格控制污染的時(shí)候。繼續(xù)使用普通磨料（碳化硅，剛玉）磨地板磚，生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的粉塵，泥漿對(duì)環(huán)境污染太大。所以近年來(lái)有實(shí)力的企業(yè)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(lái)磨地板磚，金剛石用量因此大幅上升，去年一段時(shí)間導(dǎo)致一型料、破碎料供不應(yīng)求，價(jià)格猛漲?，F(xiàn)由于國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的影響等，金剛石價(jià)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(shù)及其它設(shè)備配套等，這就需要一個(gè)磨合過(guò)程也是一個(gè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的過(guò)程。但應(yīng)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(fā)展趨勢(shì)。因?yàn)槌膊牧夏ゾ咴谀ハ麟y加工材料（硬質(zhì)合金，寶石，陶瓷，鈦，鋯合金等）方面，顯示出了特有的優(yōu)勢(shì)：（1）磨削效率高，磨削時(shí)產(chǎn)生熱量少，減少或避免工件表面的燒傷和開(kāi)裂。（2）超硬材料磨具耐磨性高，磨削精度高、質(zhì)量好。（3）磨具磨耗小、壽命長(zhǎng)、工作效率高、環(huán)保好，能改善工人勞動(dòng)環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 超硬材料在高新技術(shù)中的應(yīng)用

3.1 光伏行業(yè)中的應(yīng)用

所謂光伏材料就是硅晶片所生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池可直接把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，利用太?yáng)能發(fā)電。這對(duì)我國(guó)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，推廣新能源技術(shù)有重要的意義，我國(guó)制訂了推廣“太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”的財(cái)政補(bǔ)貼政策，力爭(zhēng)太陽(yáng)能成為我國(guó)的重要能源。太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)是太陽(yáng)能電池材料：?jiǎn)尉Ч?、多晶硅的切片技術(shù)。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(shè)備。金剛石線鋸的制作方法有多種：有機(jī)械碾壓法、釬焊法，樹(shù)脂粘結(jié)法，電鍍法。在我國(guó)研究較多的是電鍍法。電鍍法比較經(jīng)濟(jì)有效。電鍍法的制造步驟：鍍前預(yù)處理－上砂－加厚－后處理。最難的關(guān)鍵技術(shù)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(guó)研究的單位較多，進(jìn)展很快，但仍處于起步階段，與國(guó)外相比還有差距，需不斷地改進(jìn)，逐步推廣應(yīng)用太陽(yáng)能技術(shù)，這個(gè)市場(chǎng)潛力巨大。

總之，太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)是世界上發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。為實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境保護(hù)，世界各國(guó)均將太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為新能源與可再生能源的發(fā)展重點(diǎn)，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為我國(guó)金剛石工具的發(fā)展制造帶來(lái)巨大的商機(jī)。我國(guó)與外商合作的有幾家大公司：保定的KVE（英勵(lì)公司）、無(wú)錫的上德公司、江西新余LDK（賽維公司），還有湖南長(zhǎng)沙興業(yè)太陽(yáng)能公司利用15萬(wàn)m2的屋頂太陽(yáng)能發(fā)電，年發(fā)電量2500萬(wàn)度。

近年來(lái)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)受到世界金融危機(jī)的影響和去年美國(guó)對(duì)光伏產(chǎn)品“反傾銷，反外貼”的“雙反”訴訟。使光伏產(chǎn)業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)受到?jīng)_擊很大，但光伏產(chǎn)業(yè)仍具有廣闊的前景。

3.2 在半導(dǎo)體材料中的應(yīng)用

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和完善。對(duì)集成電路用的硅片加工要求更高，晶圓切片加工特點(diǎn)，精密切割縫寬誤差不超過(guò)±5μm，切縫要小于5μm，速度要高于30000～45000vpm，為了滿足在計(jì)算機(jī)和集成電路中的使用，要求芯片微型化，高密度化、數(shù)字化，對(duì)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(fā)生崩邊的現(xiàn)象，提高材料利用率，硅片的切割傾向使用超薄片。目前我國(guó)生產(chǎn)電鍍金剛石線鋸技術(shù)還不夠成熟，還處于研究階段（生產(chǎn)中使用的超薄切割，還依賴于從美國(guó)、德國(guó)、日本進(jìn)口，目前外商已在國(guó)內(nèi)辦廠），但通過(guò)幾年的努力，超薄片的生產(chǎn)有了很大的進(jìn)展，還需要我國(guó)科技人員繼續(xù)努力，自主創(chuàng)新來(lái)滿足我國(guó)工具和微電子行業(yè)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(yè)理想的散熱材料。將金剛石與銅、鋁等金屬?gòu)?fù)合可獲得高熱導(dǎo)率和可調(diào)的膨脹系數(shù)，能滿足系統(tǒng)散熱和組裝工藝的要求，國(guó)內(nèi)外研發(fā)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(jìn)展……

4 結(jié)論

當(dāng)今時(shí)代，科技飛速發(fā)展，世界經(jīng)濟(jì)變化動(dòng)蕩，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，企業(yè)壓力增大，原材料價(jià)格上漲，勞動(dòng)力成本上升，人民幣升值。節(jié)能減排，發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)是我們面臨頭等重要任務(wù)，這對(duì)中小企業(yè)是一個(gè)嚴(yán)峻的考慮。企業(yè)家自身的理念與價(jià)值觀要轉(zhuǎn)變，使企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，不要抱著做普通大路貨的產(chǎn)品不放，要有自主創(chuàng)新意識(shí)，要有自己特色的產(chǎn)品，特有的技術(shù)、特殊的銷售能力、摸清市場(chǎng)需求規(guī)律，分析產(chǎn)品暢銷和滯銷的原因，才能心中有數(shù)。要有敏銳的眼光，科學(xué)的態(tài)度搶占發(fā)展先機(jī)，要有對(duì)市場(chǎng)規(guī)律的深刻認(rèn)識(shí)，更好地把握轉(zhuǎn)機(jī)、廣交朋友、獲取信息、才能更快地捕捉商機(jī)。在當(dāng)前形勢(shì)下，只有化挑戰(zhàn)為機(jī)遇，堅(jiān)定信心迎難而上，才能抓住機(jī)遇、謀求更大的發(fā)展，作出更大的新貢獻(xiàn)。