立方氮化硼（CBN)是典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物，是一種人工合成的無機晶體材料，在自然界不存在原生礦。1957年美國通用電器公司的溫托夫（R.H.wentorf）以六方氮化硼為原料、堿金屬或堿土金屬及其氮化物為觸媒在靜態超高壓高溫條件下合成出世界第一顆CBN晶體。它具有閃鋅礦結構、硬度僅次于金剛石、熱穩定性和化學穩定性好、可耐1000℃以上高溫并耐酸堿、在高溫下對鐵族元素呈化學惰性，彌補了金剛石的不足，兩者組成了完美的超硬材料家族，不僅可作為磨料加工世間所有材料，而且有著廣泛的功能性用途。
       目前在工程材料方面，CBN主要用做超級磨料，是加工各種鋼材、鑄鐵、鎳基、鈷基合金的首選材料，尤其在現代精密加工領域，如汽車、航空航天、精密機械、微電子等精密工業方面，成為實現高效率、超精密、節約能源和操作自動化不可或缺的材料；其次在功能材料方面，CBN是優良的半導體材料，可做成耐高溫的CBN-PN結和發光二極管，可做極好的抗氧化涂層和光學窗口材料等，CBN晶體還是光譜適用范圍很寬的電光晶體，具有非常廣闊的應用前景。
       合成CBN晶體的方法主要有：高溫高壓觸媒法、高溫高壓直接相轉變法、高溫高壓溫度梯度法、水熱合成法、氣相法。以上方法中常用的是觸媒法和溫度梯度法，氣相法主要用于薄膜生長。目前高溫高壓觸媒法是占據絕對優勢的CBN工業合成方法。
       第一節 蓄勢待發 一朝騰飛
       第一顆CBN在美國制造成功后，到1960年代，前蘇聯、德國、日本、英國相繼合成出各國的第一顆CBN。我國在合成出第一顆人造金剛石的基礎上，三磨所盧飛雄等開展了CBN的高壓合成研究，于1966年11月，在61型兩面頂壓機上合成出了中國第一顆立方氮化硼。
20世紀80年代，日本精密制造加工技術的發展確立了大量使用CBN工具的共識，并全力發展CBN的應用技術。這種前瞻性的工作使日本精密制造工業技術水平趕上甚至超過美國。自1980年代以后，各工業發達國家都把CBN作為達到高效率、節約能源、超精密和操作自動化等目的的重要材料加以發展。CBN發展十分迅速，產量每年增長率在15％以上，銷售增長幾乎與之同步。
       近五十年的發展中經歷了若干發展階段，我國立方氮化硼不斷發展壯大，技術水平不斷提高，產量越來越高，市場占有率越來越大，現已成為世界立方氮化硼生產的大國并正在成為強國。
       一、從無到有，緩慢發展
       從1966年至1980年代中期大約20年，是緩慢發展期。
       1966年立方氮化硼在我國問世后，由于當時技術穩定性限制、加之基礎工業薄弱，機械工業落后，工業需求不如金剛石那么迫切。到1970年也僅在部分刀具的加工中得到了一定的應用。用于立方氮化硼觸媒合成材料僅有單一的金屬鎂，合成技術和生產發展非常緩慢，只能生產一種灰黑色、晶型差如“煤渣”狀的I型產品；合成腔體小，最大腔體直徑只有Φ14mm；產量低、合成穩定性差。從事CBN試驗及生產也僅有寥寥幾個國營單位，如三磨所、第六砂輪廠、第二砂輪廠等。直到1980年，10年間全國立方氮化硼總產量才僅為60余萬克拉，產量及應用水平與國外差距明顯。1983年第六砂輪廠立方氮化硼CBN－Ⅰ型單次產量達2.4克拉以上，150#以粗比例達64%以上，80#抗壓強度達到2 kg /cm2以上，為我國生產CBN微粉、CBN刀具、CBN磨具提供了優質原料，給行業的技術發展做出了貢獻。
       二、研究活躍 成果頻出
       從80年代中期到90年代中期大約10年。
       進入1980年代，隨著改革開放，汽車、航空航天、機械電子、微電子等工業的發展，為我國立方氮化硼發展注入了新的活力。對外技術交流開始活躍，與日本、美國、前蘇聯等技術交流頻繁。
       1983年日本國立無機材質研究所福長修來三磨所訪問，作了立方氮化硼合成的技術講座及交流，對新型化合物觸媒、如何合成好的立方氮化硼晶體等內容做了專題講解。
       1987年同為無機材質研究所的遠騰忠來到三磨所作立方氮化硼合成技術報告，指出合成高品級的立方氮化硼必須用高純度的復合觸媒如Mg3B2N4、Ca3B2N4、Sr3B2N4、Ba3B2N4等，并在鉸鏈式六面頂壓機上進行了合成試驗。對我國的研究啟發很大。
       三磨所、吉林大學、中科院長春應用化學研究所等幾個骨干科研單位，開始重視和加大對立方氮化硼合成技術研究的投入。通過對原材料、觸媒及合成技術等進行開發研究，采用新的觸媒陸續取得進展，產生了一系列科研成果，合成出各種色澤的高品級立方氮化硼，并逐漸由實驗室向小批量中試過渡。
       在這期間出現了一批強有力的代表性研究團隊：
       三磨所王光祖教授等的研究團隊。王光祖教授指導研究生張相法開展了六方氮化硼性能對立方氮化硼合成影響的系統研究、研制新型氮硼化物觸媒、合成琥珀色、黑色等品種的立方氮化硼。1991年和1993年王光祖教授、張相法研究生等，在第六屆和第七屆全國高壓學術討論會上報告了包括：《六方氮化硼結晶度對立方氮化硼合成的影響》、《Mg-BN系中B2O3對CBN晶體生長的影響》、《國內外幾種典型HBN的性能特點》、《高溫高壓下水白色CBN晶體的合成》、《高壓高溫下HBN的再結晶》等的研究成果；還有徐國泰高級工程師、劉祥慧工程師的生產及科研團隊，開展鎂基多元合金觸媒的研究，1989年12月優質CBN合成系統工藝通過機械部科技成果鑒定，黑色Ⅱ型CBN投入生產。
       吉林大學張鐵臣教授、馬文俊講師等的研究團隊。在1991年和1993年第六屆和第七屆全國高壓學術研討會上集中報告了，包括：《不同顏色立方氮化硼的合成及耐熱性的研究》、《大顆粒立方氮化硼單晶的合成》、《六角氮化硼的氧化特性對立方氮化硼合成的影響》、《立方氮化硼合成中的金屬膜》、《Me-B-N(Me=Mg、Ca)體系中CBN的生長機制》、《MgO對使用Mg系觸媒合成CBN的影響》、《Mg-B-N系中毫米級單晶的合成》、《高壓合成CBN的顏色》、《提高立方氮化硼產量的一種新的組裝方式》等論文及研究成果。
       中科院長春應用化學研究所閆學偉研究員、崔碩景研究員等的研究團隊。1988年發表了《高壓合成立方氮化硼的新觸媒材料》的論文，這是國內第一篇有關合成立方氮化硼用新觸媒材料Mg3B2N4及Ca3B2N4的論文，其后續研究成果及樣品在廬山全國立方氮化硼行業研討會和在第六屆、第七屆全國高壓學術研討會上發布，包括：《高壓高溫下HBN-CBN轉化行為的研究》、《立方氮化硼的振動光譜與反射光譜的研究》、《立方氮化硼高壓合成腔體中壓力和溫度的分布、動態過程及其對產物影響的研究》、《乳白色立方氮化硼的高壓合成》等研究成果。
       此外，北京燕郊超硬材料研究所李湘瑤等，也在從事著琥珀色CBN的合成研究，在產品開發方面做了不少有益工作。
       1990年代初王光祖教授和時任鄭州二七超硬材料有限公司總經理的吳志英連續召集、組織了鄭州、重慶--三峽及廬山等三次全國立方氮化硼行業研討會，上述研究單位以及上海硅酸鹽所、長沙礦院、第二砂輪廠、第六砂輪廠、蘇州砂輪廠、上海砂輪廠等的專家和代表出席了會議，會上展示了琥珀色樣品，會議紀要稱“吉林大學、長春應用化學研究所、三磨所首先合成出了琥珀色CBN單晶，結束了立方氮化硼產品單一、長期徘徊不前的狀態，使立方氮化硼的研究和生產上了一個新臺階”。
       至此，我國已掌握先進的新型硼氮化物觸媒及多元合金觸媒技術，能夠合成除了黑色I型、Ⅱ型CBN產品外琥珀色、淡黃色、淺白色及棕色CBN晶體。
       1991年～1993年，為了幫助讀者對國外立方氮化硼及其多晶的研究內容、水平及發展動態有較全面、系統的了解，應《磨料磨具與磨削》雜志主編衛鳳午約請，王光祖撰寫了“國外立方氮化硼研制技術”，連載12集，共約6萬字。
       由張鐵臣、鄒廣田寫的《立方氮化硼》（吉林大學出版社出版），和由王光祖、李剛、張相法編著的《立方氮化硼合成與應用》（河南科學技術出版社出版并獲河南科技出版二等獎）和連載的發表，對促進我國立方氮化硼科研、生產的技術進步所彰顯的積極作用是不言而喻的！
       三、 市場需求 規模生產
       這一階段從20世紀90年代中期到目前為止是中國CBN大發展時期。
       有了好的技術成果，那么向生產轉化就是必然的選擇。由于生產成本高，市場未得到充分開發，導致1994年三磨所欲在鄭州高新區建立CBN生產基地、長春應化所與一汽傳動軸廠等的合作和吉林大學與深圳深達超硬材料公司合作生產CBN均未能付諸實施。
       雖然CBN生產年產量從1985年的10萬克拉到1990年的50多萬克拉、1995上升到120多萬克拉，呈現出明顯的增長態勢，但市場及應用卻沒有推開。價格方面，1990年琥珀色CBN價格在10元/克拉以上，普通1型黑色CBN價格3-4元/克拉，高價格也阻礙了CBN的推廣應用。
       上世紀90年代末，金剛石壓機大型化發展同樣體現在CBN生產技術方面。大腔體降低了制造成本，加上六方氮化硼原料價格降低，CBN價格下降。張相法、張奎等研發了Φ25mm腔體高韌性CBN的合成技術，并在在河南黃河集團公司投入生產，單產達到12克拉以上，產品以較好的性價比出口到日本市場。
       進入21世紀，六面頂壓機的大型化和自動化，對六方氮化硼及觸媒的深入研究，合成工藝技術的逐漸完善，立方氮化硼生產得到了快速發展。汽車工業、航天航空工業的高速發展，日益強勁的市場需求也為立方氮化硼大發展起到了強力拉動的作用。CBN產量出現高速增長，連續多年年增長率達到100%，2002年全國CBN年產量已突破1億克拉。
       CBN生產的專業公司主要集中在河南。河南省富耐克超硬材料股份有限公司（前身是1988年建立的武陟縣超硬材料廠），由三磨所技術轉讓開始生產CBN，1995年遷往鄭州高新區，是我國新一輪CBN發展大潮中涌現的較早的CBN專業生產企業。該公司憑借其出色的經營能力，以很高的性價比開始打入國際市場，其產品曾一度供不應求，尋求代加工擴充產能，現在年產量超過1億克拉。鄭州中南杰特超硬材料有限公司（2000年由張奎等和中南鉆石股份有限公司合作成立），該公司成熟的技術與老軍工廠扎實的經營風格相結合，從2001年進入市場開始了一年一個臺階的發展歷程，經過10余年的發展，現年產量已超1億克拉。此外河南飛孟金剛石工業有限公司、鄭州沈發超硬材料公司等分別具有一定規模的CBN產能。
       第二節 強勁發展 大國夢圓
       一、產量領先 優勢明顯
       進入21世紀，我國CBN產量增長迅速，從2002年產1億克拉，到2005年2億克拉，到2010年3億克拉，我國CBN發展步入良性軌道，據中國機床工具協會超硬材料分會統計，2012年我國CBN產量為3.8億克拉，占全球總產量的60%。90%以上的產量主要集中在河南富耐克超硬材料有限公司、鄭州中南杰特超硬材料有限公司、河南飛孟三家公司。
       二、技術進步 日新月異
       （一）觸媒體系 自主創新
       合成CBN的觸媒種類繁多，工業合成CBN主要使用的觸媒是堿金屬或堿土金屬的單質、氮化物和硼氮化合物等。如鋰、氮化鋰( Li3N) 、硼氮化鋰( Li3BN2)；鎂、氮化鎂( Mg3N2) 、硼氮化鎂( Mg3B2N4)； 鈣、氮化鈣( Ca3N2) 、硼氮化鈣( Ca3B2N4) 等。由于不同觸媒各自有其特點：如合成壓力和溫度不同；CBN 晶體晶形、缺陷和粒度大小不同；合成的CBN顏色不同；觸媒本身的穩定性不同等原因。生產上通常會把它們混合或者重新制備成復合物做觸媒使用。
       從20世紀70年代到80年代末，Mg一直是國內用于合成初級CBN的主流觸媒。
       20世紀90年代中期，國內較注重開展對氮硼化物復合觸媒的研發工作，合成出了晶形較好、強度較高的琥珀色CBN。
       進入新世紀，針對國際市場需求，開發出了適合黑色、棕色CBN晶體合成的觸媒體系。目前，各家已形成能合成的顏色--淺黃、黃、桔紅、棕色和黑色；韌性由脆性、中等韌性到高韌性CBN的系列觸媒體系。有的企業目前已經有60余種品種、牌號，已經在該領域開始引領世界潮流。
       （二）結構優化 腔體擴大
       通過組裝結構優化，減小腔體內溫度、壓力梯度，生長密度均勻， 單位體積生長CBN最好水平可達到 5 ct/cc;一些高產CBN品種的轉化率達到70%.
       以Φ550缸徑壓機為例，采用Φ40腔體最高單產可達160克拉。采用Φ650缸徑壓機合成CBN單產可達200克拉以上。
       隨CBN市場的擴大，用戶多樣化的需求使得CBN合成工藝也多樣化。以粒度看，有大顆粒CBN合成工藝、粗顆粒合成工藝、細顆粒合成工藝；以韌性看，有高韌性合成工藝、脆性合成工藝；以晶形看，有等積形合成工藝、片狀合成工藝等等。
       （三）原料國產 價廉適用
       由于我國CBN產量的逐步提高，用于CBN合成的HBN消耗量也逐年提高，目前年消耗量接近200噸。國內HBN產品粉末主要采用硼砂氯化氨法、硼砂尿素法和硼砂三聚氰胺法三種方法制備。其純度、雜質含量，顆粒形貌、結晶度等性能雖與國外產品有差距，但適合我國國情，較好地滿足現階段CBN單晶合成的需要，其較高的性價比為合成多個品種質優價廉的CBN提供了材料保證。
       近幾年有廠家采用新工藝生產高純度大粒徑HBN， BN含量大于99.5%，晶體較完整、規則，粒徑大于3微米。結晶度G.I值達到1.6。經過二次高溫處理后最大粒徑可達20微米，可望在CBN合成中得到使用。
       三、品種齊全 享譽世界
       隨著我國CBN合成技術的進步，產品品種牌號多達60余種且仍在不斷增加，一些品種的可供粒度達20/30。
       此外為了改善CBN磨料與結合劑的結合，改善磨料的熱穩定性，對CBN磨料表面進行鍍層處理，分別鍍鎳，鍍鈦。作為派生品種，我國CBN鍍覆產品發展也很快，幾個大公司都有自主加工的鍍鎳和鍍鈦牌號。
       微粉品種隨著精密加工和PCBN合成使用，特別是整體PCBN聚晶的快速增長也同步增長。
       系列牌號的CBN在國際上享有盛譽。
       四、應用廣泛 供需兩旺
       CBN產品最大宗的應用是在制造CBN砂輪方面，在CBN砂輪的四種結合劑（樹脂、陶瓷、金屬、電鍍）中，以陶瓷結合劑的CBN磨具發展最快。在世界范圍內，陶瓷CBN磨具的比例已由20世紀80年代的4%上升到現在的50%以上，增速迅猛。由于陶瓷CBN磨具具有磨削效率高、形狀保持性好、耐用度高、易于修整、磨料利用率高（為75%以上，其余類型結合劑為50～60%）、砂輪使用壽命長等優勢，因而成為高效、高精度磨削的首選磨具。應用領域涵蓋汽車、航空航天、油泵油嘴、壓縮機等。近幾年，CBN應用推廣取得長足進步，使用廠家增加很快，具不完全統計目前國內使用CBN的大小廠家在500家以上，單個廠家使用最多在400萬克拉以上。
       其次國內PCBN刀具經歷了多年的發展，目前已形成一定的規模，尤其近5年整體PCBN刀具快速發展帶動CBN微粉使用量的大幅增加，幾家生產CBN單晶的廠家不同程度的加入到合成整體PCBN的行列，這也帶動了CBN單晶生產量的穩定增加。
       國外工具生產商通過近年來大量應用實踐證明，我國CBN產品質量穩定可靠，完全能夠滿足使用要求。CBN出口量也快速增長，有的廠家出口和內銷量基本相等，由此我國CBN的出口量可窺一斑。
       綜上所述，我國CBN生產從數量、質量和市場占有率等方面評價：不僅是生產大國，并已進入強國之列。
       第三節 展望未來 前景美好
       一、幾點總結
       （一）為實現CBN產品品種的系列化，以適應不同的用途，我們展開了對制備CBN的兩個基礎原材料，即六方氮化硼和觸媒，特別是觸媒的深入研究。因為觸媒的研究對產品品種的發展及其性能的影響起著至關重要的作用。
       （二）砂輪制造技術、CBN磨削技術等的發展水平，都是制約CBN應用推廣的重要技術因素。早期的發展緩慢與它有關；后來發展快起來了也與它有關。早期CBN產品品種單一，也影響到它推廣。通過我們努力，現在CBN產品已實現系列化，專用化。因此CBN有了較大的發展。
       我國生產的CBN單晶磨料除滿足快速發展的國內市場，還以出色的性價比在國際市場占有重要位置，出口也發展十分迅速，國際客商廣泛認可，在世界市場上享有話語權。
       （三）CBN的增長雖然不像金剛石跳得那么高，但其增長率也高達24%，產量已占世界總產量的60%。主要推動力是其應用領域不斷擴大，制造業向我國轉移導致的市場擴大、質量提高引起的口增加等。
我國不僅是CBN的生產大國、出口大國，而且還是生產強國。目前居世界CBN制造商之首。
       二、發展方向
       （一）提高產品附加值
       2009年由《全球行業分析》發表的“全球戰略業務報告：CBN磨料”的報告估計2012年CBN磨料的全球市場需求將達到1.94億美元。中國CBN磨料的年銷售收入按4000萬美元估算，占不足21%，而我們的產量占全球60%以上，說明我國產品售價低。今后要提高高品級CBN的生產比例，提高產品附加值。
       （二）突破微晶CBN的生產技術
       雖然這幾年國內幾家公司都號稱推出微晶CBN產品，但實際上只是形似，與國際知名品牌性能差距仍大，應用很局限。今后要加大開發力度，盡快完善微晶CBN的生產技術。
       （三）加快產品標準制定步伐
       目前國家標準CBN品種只有4個，遠低于實際產品品種數量，已造成磨料生產廠家與砂輪制造商溝通、驗收的不便，急需建立新的系列產品標準。
       三、美好未來
       （一）CBN發展前景良好
       《全球行業分析》發表的 “全球戰略業務報告：CBN磨料”指出，CBN正成為大部分磨削加工的首選磨料，因為它有助于獲得精確的幾何形狀和尺寸、更好的表面光潔度和表面完整性，以及縮短加工時間。由于它非常適合在數控磨床上使用，因此其用量正在不斷增加。為了充分利用CBN磨削的優勢，獲得更好的零部件表面光潔度、結構完整性和更長的使用壽命，越來越多的汽車制造商已選用CBN砂輪來替代傳統磨料砂輪。
       在一些主要行業，CBN的用量將會增加，顯示出良好的成長性。　　
       隨著CBN大單晶的研究開發，CBN單晶形狀不規則，尺寸小等嚴重限制CBN晶體的基礎性質研究和應用的狀況將得以改變。一方面，大尺寸的優質CBN單晶制備性能優異的單晶刀具；另一方面在功能材料研究方面由于大尺寸的CBN單晶是研究其熱、電、光等基本性質所必須的，同時也是制備熱沉、高溫半導體器件乃至特殊光學器件所必須的。
       （二）加強研發 拓展品種
       1、以往合成CBN晶體的方法是建立在相變的基礎上的，即在高溫高壓下使HBN相變為CBN晶體。研究表明，可以完全脫離原有轉變模式，用含硼和氮的化合物或用硼單質和氮的化合物化學反應制備CBN晶體。
       2012年燕山大學的田永君教授等在多晶超硬材料合成技術和超硬材料硬化機理研究方面取得突破性進展，利用高溫高壓技術成功地合成出超高硬度的納米孿晶結構立方氮化硼塊材 。
       他們采用一種具有特殊結構的洋蔥氮化硼為前驅物成功地合成出透明的納米孿晶結構立方氮化硼，孿晶的平均厚度僅為3.8 nm，其硬度達到甚至超過人工合成的金剛石單晶，斷裂韌性高于商用硬質合金，抗氧化溫度高于立方氮化硼單晶本身。這些優異的綜合性能表明納米孿晶結構立方氮化硼是一種工業界期盼已久的刀具材料。
       業已證明：在臨界尺寸（約10-15 nm）以上，金屬及合金材料的硬度和強度隨晶粒尺寸減小而增大（霍爾-佩奇效應），但在臨界尺寸以下，強度和硬度卻隨晶粒尺寸減小而減小（反霍爾-佩奇效應）。令人驚奇的是，納米孿晶結構立方氮化硼隨孿晶厚度減小能夠持續硬化到3.8 nm卻不發生軟化。他們的理論分析表明：在納米尺度邊，多晶極性共價材料的硬化機制除了大家熟知的霍爾-佩奇效應還有量子限域效應的附加貢獻。研究成果突破了人們對材料硬化機制的傳統認識，向人們展現了合成高性能超硬材料的新途徑——獲得超細納米孿晶結構。
       2、立方氮化硼薄膜是薄膜技術在立方氮化硼合成領域的重要發展，并成為新的研究熱點，為CBN開辟了一個全新的應用領域。
       3、爆炸法是使HBN在爆炸沖擊波的高壓高溫作用下相變產生WBN和CBN的方法。這個方法產生的壓力很高，但設備簡單，成本低，所得產品粒度大多為亞微米和納米量級。它既有較高的硬度，又有較好韌性的特點，是用來制造研磨膏和拋光的理想之材。
       4、與傳統的制備CBN的方法相比，水熱法合成CBN具有成本低，反應過程易于監控，污染少，反應體系均勻性好諸多優點，特別是對大晶體的生長十分有利。水熱法制備CBN微晶成功，為CBN的制備開辟了一種新的技術路線。（本文節選自《中國超硬材料工業五十年》，請勿轉載。）