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李志宏:超硬材料工业发展的展望
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我们以十分喜悦的心情迎来了我国人造金刚石研制成功50年华诞。进入21世纪,现代科学技术和现代工业发展日新月异,超硬材料应用领域将越来越宽广。在取得辉煌成就的同时,也要清醒地认识到与世界的差距。回顾50年,展望未来,特提出以下展望,为早日实现中国超硬材料强国梦而共同努力!
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一、战略方向
  1、转变发展方式,调整产品结构,多品种、多规格发展,大力加强制品开发研究,着力应用技术研究,以适应多元市场的需求。
  2、大力培肓我国的民族品牌,积极争取更多的国际超硬材料话语权。
  3、加强超硬材料光、声、热、电等功能的开发应用;积极开展更髙压力下(10GPa以上)合成超硬新材料的研究。
  4、健全标准体系、技术规范、检测方法和认证机制,进一步完善超硬材料及制品标准的研究、制订、推广,与国际接轨。
  5、加强企业技术创新基础能力建设,推动产学研结合,建立技术创新联盟,引领产业发展。
  6、加强创新人才队伍建设,促进知识创新和技术创新,重视高端人才的培养和引进,建立健全行业人才服务体系。
  二、技术趋势
  1、材料
  (1)CVD材料产业化
  CVD金刚石薄膜生长技术的研究始于上世纪80年代中期,从90年代后期至今,各类用途的CVD金刚石材料及其制品已经开始工业化生产,其应用前景和潜在市场极为广泛。
  CVD金刚石已成为加工业、汽车、信息、能源领域以及国防、军工和尖端技术的关键材料。因此,加快CVD生长技术研究及其产业化,是我行业当前急需解决的现实问题。
  (2)金刚石的功能性研究与应用
  金刚石除了优异的机械性能外,还具有很多卓越物理化学性能。如:金刚石的导热性好,可用于微波器件、大功率固体激光器、散热片和大规模集成电路等;金刚石晶体的电子亲和势小,是理想的场发射阴极材料,可用于冷阴极场发射器件;同时金刚石又是一种宽带(Eg=5.5eV)、击穿电压(107V)和饱和电流(2.7×107cms-1)都远远高于Si、GaAs、InP等常用的半导体材料,结合其优异的高温性能,在微电子领域,基于金刚石的集成电路是现有硅基集成电路强有力的竞争者。用金刚石制造的对顶砧(DAC)是高压物理、高压化学研究不可缺少的手段;金刚石从深紫外到远红外全透明,可应用于巡航导弹红外探测器的窗口、激光窗口材料、透镜材料,和光学保护涂层;还可用来作半导体热阱、热敏电阻及高灵敏温度计。加强金刚石功能性研究与应用是行业未来可持续发展的技术保障。
  (3)立方氮化硼的功能性研究与开发
  立方氮化硼晶体(CBN)具有6.4eV最宽的直接带隙,是一种十分优异的半导体材料,它在高温高功率宽带器件微电子学领域有着广泛的应用前景。立方氮化硼能产生二阶非线性光学效应,可以用于光的高次谐波发生器、电光调制器、可见-紫外光转换器、光学整流器、光参量放大器等等。此外,立方氮化硼与金刚石一样还具有很强的抗辐射能力,可用于抗辐射器件。因此,对立方氮化硼材料功能性的研究与开发有着重要的现实意义。
  (4)高端PDC急待突破
  目前国内PDC总体有了明显的进步,可供拉丝模、煤田钻采、和一般的石油钻采用。但大直径PDC、深孔钻进用PDC,高速、高寿命刀具PDC还无法与国外竞争,我国髙端PDC仍然靠进口,这种局面必须尽快解决。
  (5)新型超硬材料的研究
  寻找高硬度、高化学惰性和高热稳定性的新型类超硬材料是超硬材料研究领域的热点问题。如果从理论设计的角度出发设计新型超硬材料,再通过实验进行验证能够开发出新型的超硬材料,将使它兼有金刚石和立方氮化硼这两种超硬材料的优点,克服它们的缺点,必然将成为新一代的超硬材料,具有广阔的应用前景。
  (6)宝石级金刚石的研发
  20年来,宝石级金刚石合成技术方面取得了长足的进展。1990年,日本的住友电气公司,用大晶种方法生长出9克拉Ib型金刚石单晶,生长速度提高到15mg/h;1996年,DeBeers公司用1000h合成出重量达25克拉的优质Ib型金刚石单晶,代表了当今宝石级金刚石的培育最高技术水平。美国卡内基研究院地球物理实验室于1998年开始CVD单晶金刚石培育技术的开发,2004年生长出对角长10mm、厚4.5mm的单晶金刚石,生长速度100μm/h、最高速度达到300μm/h,所得到的单晶呈褐色,经高温高压处理后为无色,2005年生长出10克拉的透明单晶金刚石。
  目前,我国中南钻石有限公司、黄河旋风股份有限公司、焦作华晶钻石有限公司等,在已能生产4mm左右的金刚石大单晶。黄河旋风股份有限公司已经培育出10mm的宝石级大单晶金刚石;吉林大学可以生产0.8ct的宝石级优质大单晶。在此基础上,我们应继续加强对宝石级人造金刚石的合成方法及工艺技术进行深入研究与开发。
  (7)纳米金刚石产业化及应用开发
  纳米金刚石除了具有金刚石的一般特性外,同时还具有纳米材料的特性,在复合镀层、研磨、抛光、润滑、密封、高强树脂和橡胶等领域得到了广泛的应用,显示出良好的应用前景,我们必须高度重视纳米金刚石产业化及其应用,同时关注纳米立方氮化硼的研发。
  (8)加速原辅材料的改进与研发  传压介质、顶锤压缸、触媒合金、炭源材料及氮化硼原料是超硬材料生产不可或缺的五大支柱,为了适应我国超硬行业可持续发展的需要,必须加速原辅材料的改进与研发,抓紧研制新型传压介质、纳米—亚纳米铁基制品金属粉、新型炭源材料及优质氮化硼,特别是硬质合金件的配套跟进尤为重要。
  2、制品
  (1)高档超硬材料刀具的开发与应用
  超硬刀具符合现代高速、高效、高稳定性、低成本以及低碳环保的要求,是一种理想的绿色切削刀具,在汽车、航天航空、能源、军工、机械等领域发挥着重要的作用。现代制造技术和难加工材料的发展推动着刀具技术正向着高速切削、高精度和硬态干式切削的方向发展。开展高性能的PDC、PCBN刀坯材料的研究、精密PDC刀具、金刚石单晶刀具与PCBN刀具的制造技术及其应用技术的研究,是超硬材料刀具开发与应用的重要任务。
  (2)深层油(气)钻采用PDC切削齿和深孔地矿勘探钻头的研发
  钻探用金刚石/硬质合金切削齿(PDC)引起了石油天然气钻采行业的一场技术革命。由于浅层油气资源的可采储量越来越少,人们不断探索更深地层储藏的石油天然气。以往的油井井深多为1000——2000m,如今3000——4000m井深成为主流,有的石油深井甚至已达7000m。钻井越深,所处地层受上部地层的压力越大,岩石越致密,钻进难度越大,提升PDC品质就显得尤为重要。海洋钻探、采油气(包括可燃冰)是未来能源新的战场。这些钻头对PDC的技术要求更高,更应引起足够重视。
  开发固体矿产是我国经济发展的重要命脉之一。由于采矿技术的限制,以前我国固体矿产资源采矿深度一般均不到500m,现在采矿深度已达1000-1200m,国家要求找矿勘探深度达到1500-2500m。因此,就固体矿产资源勘探而言,开发深孔钻头是目前重大的攻关课题。
  (3)新型金刚石有序排列锯切工具和薄壁钻以及金刚石绳锯
  高效耐用的有序分布规则排列金刚石锯切工具和薄壁钻的开发及产业化
  锯切工具和薄壁钻工具是金刚石制品中用量最大的一类,其节块中金刚石有序分布代替随机无序分布,可显著提高锯片和薄壁钻工作效率和使用寿命,是世界上近年的新进展。有序排列金刚石锯片和薄壁钻制造技术与专用工艺装备的开发和产业化,是金刚石制品重要发展方向之一。
  新型金刚石绳锯的推广应用
  金刚石绳锯在矿山开采中替代传统的打眼放炮的方式,可以大量节省石材资源,目前正处于产品发展和推广应用阶段。细直径小规格的高效精密加工用金刚石绳锯的开发和产业化,应当优先考虑。
  超硬涂附磨具的开发及其产业化
  我国是涂附磨具的生产大国,但超硬材料涂附磨具所占比例甚小,为适应现代磨削技术的发展、硬脆材料磨削和抛光加工的需要,必须大力开发超硬材料涂附磨具,并使其产业化。
  高效耐用金刚石线锯的开发及产业化
  半导体、光伏和LED照明领域的硅/蓝宝石材料的切割加工发展,使得金刚石线锯逐渐显现出一系列无可比拟的优点:加工表面损伤小、挠曲变形小、省材料、效率高。为此,作为半导体、光伏、LED照明材料的生产大国,必须加快高效耐用金刚石线锯的开发及产业化。
  高档陶瓷立方氮化硼砂轮的研制与产业化
  陶瓷立方氮化硼砂轮是高速、高效、高精度、低磨削成本、低环境污染的高性能磨具,成为世界上竞相研究开发的热点和当代磨具产品发展的一个重要方向。在美国、日本、德国、英国等工业发达国家的航天航空、轴承、汽车、工具等行业已进入规模应用或普及阶段。因此,必须加大高档CBN陶瓷砂轮的研究与开发的力度,扩展其应用领域。
  金刚石工具新技术的开发与应用
  为实现大力发展制品的目标,提高制品的质量档次,需要加强以下基础工作的研究与开发:
  A、原材料处理与控制技术与装备,包括磨料表面的处理技术、结合剂(胎体材料)的细化技术,凃附磨具基材处理技术,以提高结合剂(胎体材料)的性能及其与磨料、基材的结合强度。
  B、新型结合剂(胎体),提高对磨料的把持力,从而提高使用寿命和加工效率。例如,具有优良综合性能的复合结合剂(树脂-金属、陶瓷-金属等)、代钴结合剂、填料改性技术等。
  C、精密均匀成型技术与装备,该类技术是提高制品内在质量的基础之一,包括高效率的磨料均匀分布及有序排列技术、小直径高厚度的细长工具的精密成型技术、电镀制品的上砂控制技术(磨料的浓度和均匀性)、涂附磨具的均匀植砂与涂胶技术。
  D、高效、节能烧结技术与装备,提升烧结质量、降低能耗、提高效益。
  E、制品的高效精密加工技术与装备,包括刀具、磨具、薄壁钻等制品的后加工技术,确保制品应用于精密加工目标的实现。
  日出江花红胜火,春来江水绿如蓝。当我们推开超硬材料产业未来发展的大门,一场新的“大考”已经开始,我们付出所有的智慧和辛劳,都为了早日圆超硬材料强国梦。让我们张开双臂,拥抱超硬材料及其制品发展新的春天,为实现中华民族的伟大复兴,做出我们超硬人新的更大的贡献!
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