21世纪最活跃的材料——超硬材料金刚石和立方氮化硼

超硬材料，顾名思义，是指硬度非常高的一类材料。一般来说，人们把莫氏8～9的材料称为硬材料，把9＋～10的称为超硬材料。目前，已知并被广泛应用的超硬材料主要有两种：金刚石及立方氮化硼。其中前者是单元超硬材料，其化学成分为碳（C），莫氏硬度为10，是地球上已知最硬的物质；后者为二元超硬材料，化学成分为BN，硬度为9＋，略逊于金刚石，是人工合成产品。 金刚石又称钻石，大约于公元前3000年，在印度首先被发现。其高硬度及高折射率等特性逐渐被人熟知，被加工成饰品或用于切割陶瓷等脆硬物品。关于金刚石的结构、组成和性质，在很长时间内都是一个谜。直到18世纪后期，人们才确定了金刚石是由一种化学元素——碳构成的。光彩夺目的金刚石会和黑黑的石墨是由同一种元素构成，真的让人有些难以接受，但却被科学实验所证实。在此之后，人们便开始了人工合成金刚石的探索，提出了关于天然金刚石形成的各种假设，在实验室进行了合成金刚石的尝试，并逐渐发现金刚石。由石墨向金刚石的转变，只有在超高压高温同时存在的条件下才能实现。理论出来了，但如何实现超高温、高压却变成了一个技术难题。美国物理学家P?W?Bridgman创建的大质量支撑的超高压高温装置为合成人造金刚石奠定了物质础。 1953年美国通用电气公司的H.T.Hall成功地设计出能维持1小时以上的可产生2.1×10兆帕压力和2000℃以上高温的Belt装置，并在这种装置中成功地合成出人造金刚石，从而拉开了工业上大规模生产和使用超硬材料的序幕。其后不久超硬材料的又一成员立方氮化硼问世。我国于1963年由几家研究院合作在2兆牛顿两面顶压机上合成出金刚石，1965年在实验室获得小颗粒立方氮化硼，目前工业合成的金刚石绝大部分是采用这种技术生产出来的，人们通常将其称为静态超高压高温技术。此外人们后来又发明了另一种合成金刚石技术——爆炸法合成技术，利用爆炸产生的高温高压合成金刚石。用这种方法合成的金刚石颗粒很细，被用来作金刚石抛光粉和研磨膏等。 人造金刚石问世后，其应用领域迅速拓展，主要是制成各种工具。其应用由最初的地质勘探很快扩展到石材加工、能源开发、水利、电力、建筑、公路、机场等工程及精密加工、木材加工、橡胶玻璃、特种陶瓷、光学和汽车制造业等方向。金刚石工具的使用对各领域的发展产生了深刻的影响，最主要是生产效率方面，从而使得对工业金刚石的需求量不断增加。近20年来，世界金刚石及制品的发展平均年增长率均在12％左右，远高于工业发展的增长率，据预测在今后相当长的时间内仍将维持8％以上的增长率。有关资料显示，一个国家工业金刚石人均消耗量一定程度上反映着该国工业发展水平，目前世界上人均消耗量最高的两个国家是美国和日本。立方氮化硼(CBN)的应用前景也十分看好，其优越的物理、化学及机械性能，特别适合铁族金属材料加工，它和金刚石互为补充用于加工硬而脆的非金属材料。 据统计，世界人造金刚石的年产量为10亿克拉以上(1克拉=200毫克)，远高于天然金刚石几千万克拉的开采量，主要生产国为美国、英国、德国、韩国、日本、俄罗斯及中国。其中英DeBeers公司和美国GE公司是人造金刚石生产的两大巨头，产品性能优异、质量稳定、产量高，韩国的日进公司近年来进步也比较快。国外生产金刚石的主流设备为大型两面顶压机，其特点是压机吨位大,合成腔体积大，单次产量高、高档金刚石比例高等。我国是金刚石产量的大国，产量占世界总产量的50％以上。然而，我国一直以铰链式六面顶压机为主要生产设备(其数量约占总生产设备的95％以上)。因受设备能力和条件的制约，目前产出的主要是低、中档金刚石，产品供过于求，出口竞争力差。我国中非人工晶体研究院开发的有自主知识产权的25兆牛顿两面顶合成装备及技术，立足国内资源，具有自己特色，经近10年工业化生产，技术成熟，生产的金刚石质量稳定，与国外同类产品的性能相当。 就目前金刚石的应用看，人们只是利用了其高硬度特性。金刚石还具有其他许多优良性能如最快的声速、最高的适光波段、最高的热导率、最高的杨氏模量等，人们正在开发这些特性材料的应用。未来一段时间内除制作一般工具的常规金刚石外，金刚石将主要向一大一小两方面发展。大是指金刚石单晶进一步向大尺寸上发展，目前已知最大的工业级单晶已达38?4克拉，大尺寸单晶的合成对开发金刚石的诸多优异特性十分重要。小是指合成更细粒度的金刚石，例如纳米级金刚石，目前许多研究单位在开展纳米级金刚石的研究与开发，已有产品问世，只不过目前还处在实验阶段，生产成本较高。如日本利用纳米金刚石碳管制成的彩色显示屏。此外纳米金刚石在能源、生命科学等领域的应用也被看好。不难看出，金刚石不仅是一种重要的结构材料也是应用前景很大的功能材料，它将是21世纪众多材料研究领域中最活跃的材料之一。