1、引言

　　自1963年第一顆人造金剛石在華夏大地誕生后，經(jīng)歷37年的不平凡歷程，取得舉世矚目的成就，歸納起來大致有以下幾點：

　　1.1 已形成以高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，合成技術(shù)經(jīng)過三次大的飛躍，使得這門跨多種學科的技術(shù)變得越來越完整，越來越成熟起來。

　　1.2 已成為世界上中、低檔次人造金剛石單晶（包括粗制微粉）的生產(chǎn)和出口大國：CVD薄膜的工業(yè)化生產(chǎn)正在逐步展開；納米結(jié)構(gòu)金剛石產(chǎn)業(yè)化條件基本具備，應用 開發(fā)正在策劃之中；立方氮化硼生產(chǎn)有所發(fā)展，仍不理想，但潛在前景很好；PCD成功地用于地質(zhì)、石油鉆探，是世界金剛石鉆探發(fā)展中一大創(chuàng)舉，對推動我國和 世界金剛石鉆探技術(shù)的發(fā)展做出了重大歷史性貢獻。

　　1.3 已涌現(xiàn)出像黃河實業(yè)集團公司、杭州高發(fā)磨料磨具（集團）公司、亳州金剛石（集團）公司、河南中南機械等一批年產(chǎn)3000萬拉以上的人造金剛石生產(chǎn)企業(yè)，表明規(guī)模化生產(chǎn)格局已經(jīng)形成。

　　1.4 鉸式六面砧壓機的大型化進程明顯加快，可是高品級金剛石產(chǎn)業(yè)化亟待解決。

　　物換星移，世紀交替，回顧以往的成就固然可喜，但展望未來的任務更為艱巨。我們需要追憶的往事很多很多，本文僅就超硬材料的發(fā)展問題做一簡要綜述。

　　2、人造金剛石的需求與發(fā)展

　　有需求就有發(fā)展，這點從我國人造金剛石發(fā)展歷程可得到充分說明。

　　第一階段：硬質(zhì)合金的機械加工引發(fā)了我國人造金剛石發(fā)展的起步。

　　第二階段：發(fā)展的主要動力來自地質(zhì)鉆探對高品質(zhì)金剛石的需求。60年代末，我國探礦工作者認識到，要發(fā)展我國鉆探事業(yè)，靠進口天然金剛石是不行的，必須走自力更生的道路，立足于國內(nèi)人造金剛石制造地質(zhì)鉆頭。

　　經(jīng)過三年的推廣表明，人造金剛石鉆頭可以鉆進堅硬地層，在坑鉆進中能打任意角度的鉆孔（鋼粒鉆進無法解決），實現(xiàn)了“以鉆代坑”，人造金剛石鉆進完全 可以取代鋼粒鉆進，有其不可比擬的優(yōu)越性，與天然金剛石鉆頭比較，成本低，效率高，適應范圍廣。隨著人造金剛石鉆探的逐步推廣，鉆探臺日效率逐年提高，鉆 孔質(zhì)量也相應提高，單位成本下降，人造金剛石鉆探優(yōu)勢充分顯示出來。我們的實踐結(jié)論是，由于地質(zhì)鉆探的需要，推動了我國人造金剛石的發(fā)展，人造金剛石的發(fā) 展，又促進地質(zhì)鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展與提高。

　　據(jù)1990年主要地質(zhì)勘探部門統(tǒng)計：冶金部已普及人造金剛石鉆探，中國有色金屬總公司93%的鉆探工程采用人造金剛石鉆探技術(shù)、核工業(yè)部金剛石鉆機開 動臺數(shù)占89.8%、地礦部機械巖心鉆探工作量159.7萬米，金剛石鉆探工程量占67%，其中人造金剛石鉆頭使用比例占67.5%，實踐證明，人造金剛 石在地質(zhì)鉆探的應用，使我國鉆探技術(shù)發(fā)生了全面改革，并已超越地質(zhì)鉆探范疇，在工程地質(zhì)、水文水井、基礎(chǔ)工程施工、油、氣鉆探、礦山和建筑施工等部門。

　　第三階段：石材加工的需求給人造金剛石的大發(fā)展帶來前所未有的機遇。從市場來看，目前我國人造金剛石最大的市場去向是石材加工。據(jù)中國石材協(xié)會統(tǒng)計， 我國1998年共生產(chǎn)板材1.35億平方米（其中花崗石7500萬平方米、大理石3500萬平方米、水磨石2500萬平方米）。若以加工每平方米板材耗用 1.4克拉金剛石計算，需耗用人造金剛石近2億克拉。去年，我國加大對基礎(chǔ)設(shè)施和建筑工程的投入，一大批“世紀工程”相繼完工，市場上對裝飾石材的需求量 回升。近幾年來，用于鋸切混凝土和建筑裝修的金剛石工具市場發(fā)展很快，小鋸片出口市場已基本穩(wěn)定，這部分耗用的金剛石大約為5000—8000萬克拉，所 以，加上加工石材所需的金剛石，這塊市場總量將接近3億克拉。

　　此外，出口的需求，我國已成為世界上人造金剛石最大的生產(chǎn)大國和最大的出口大國。從目前出口地區(qū)來看，美國仍然是我國人造金剛石最大出口國和轉(zhuǎn)口集散 地。隨著亞洲經(jīng)濟的復蘇，人造金剛石需求增長明顯，尤其是日本市場增勢強勁。據(jù)日本大藏省關(guān)稅局發(fā)表的資料，日本1999年，共進口工業(yè)人造金剛石（含天 然）10,187萬克拉，其中從中國進口人造金剛石3, 335萬克拉，占進口總量33%，差不多比1998年增加4倍，是近10年從中國進口人造金剛石最多的一年，首次突破該國進口量30%。

　　3. 立方氮化硼生產(chǎn)有所發(fā)展、應用潛在市場很大

　　立方氮化硼（CBN）是1957年，由美國G.E.Co首先研制成功的高科技磨削材料。它的問世給硬韌難加工材料的加工帶來了革命性變革，它不僅大大 提高了勞動生產(chǎn)率、加工精度和加工質(zhì)量，而且減輕了能量消耗和環(huán)境污染。因此，世界工業(yè)發(fā)達國家投入了大量的人力、物力進行CBN及制品的開發(fā)和應用研 究。

　　1966年CBN在鄭州磨料磨具磨削研究所問世，1983年完成高品級CBN的研制，1994年又完成了微晶立方氮化硼的科研任務。通過實驗研究，該課題所制得的CBN微晶，在主要性能上接近G.E.Co CBN550產(chǎn)品水平。

　　自1966年我國研究成功立方氮化硼后至今已有34個年頭了，經(jīng)過34年的發(fā)展，始終沒有形成規(guī)模生產(chǎn)的格局，CBN生產(chǎn)的總態(tài)勢是分散附屬在為數(shù)不 多的金剛石生產(chǎn)企業(yè)中，生產(chǎn)量小、品種單一、品級不高。雖然在此期間國內(nèi)推出了一些CBN及其制品的科研成果，但得到推廣的不多，從而嚴重地制約著CBN 的發(fā)展。為此，這里將要著重提及的是發(fā)展中的河南富耐克超硬材料有限公司。

　　該公司的前身是武陡超硬材料廠，始建于1988年，1997年到鄭州國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)落戶、1988年河南省科學技術(shù)委員會授予高技術(shù)企業(yè)的光 榮稱號、1999年11月通過國際ISO9002質(zhì)量管理體系認證、通過十多年的發(fā)展已成為我國唯一的、最大的、專業(yè)化CBN生產(chǎn)企業(yè)。

　　該公司生產(chǎn)規(guī)模已達年產(chǎn)量CBN單晶1800萬克拉、微粉200萬克拉、CBN陶瓷砂輪500片、CBN刀具2000把、年實現(xiàn)總產(chǎn)值3250萬元，其中，CBN單晶及微粉產(chǎn)品為主要產(chǎn)品，80%出口美國、日本、歐洲、臺灣、等國家和地區(qū)。

　　目前，全球需求量為1.5億克拉，并以每年25%的速度遞增，該公司已于一些國際知名的磨具制造企業(yè)建立長期供貨關(guān)系，其中有享譽全球的美國、德國、 奧地利、日本磨具制造企業(yè)，說明該公司產(chǎn)品得到了國際的認可，表明我國CBN產(chǎn)品具有較高水平，是有國際競爭實力的。

　　為了保持在國內(nèi)外市場競爭的實力，該公司以院所為依托，不斷開發(fā)出新產(chǎn)品，并形成產(chǎn)品系列。

　　CBN—800是在1988年鄭州磨料磨具磨削研究所轉(zhuǎn)讓的黑色CBN技術(shù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過不斷完善的產(chǎn)品。

　　CBN—900、CBN—990和CBN—850所采用技術(shù)是與吉林大學合作，于1998年研制成功的。

　　CBN—800已生產(chǎn)900萬克拉以上，CBN—900、CBN—850產(chǎn)品已分別生產(chǎn)300萬克拉以上，表明上述CBN單晶已具備產(chǎn)業(yè)化條件。

　　4. PDC（PCBN)的開發(fā)與應用

　　鄭州磨料磨具磨削研究所于1969年率先開展PCD的研制。工藝方法與國外顯著不同。其設(shè)計思路一般基于兩個方面，其一，選擇的粘結(jié)劑應與金剛石有一 定的粘結(jié)作用；另一是，選擇的粘結(jié)劑在高壓高溫下生成的物相自身應具有良好的耐磨性，80年代中期以前，大部分生產(chǎn)廠采用Ni-Si-B體系和80年代中 期以后，普遍采用Ti-Si-B體系就是根據(jù)上述原則選定的，可以認為，我國的聚晶燒結(jié)體不論在理論研究，還是在工藝研究方面均有獨到之處，特別是在確定 和控制聚晶燒結(jié)體耐磨性的工藝方法，自銳性研究以及結(jié)構(gòu)與性能方面的研究取得了令人矚目的成果。我國PCD的耐熱性能事世界一流的，這已為世界所認可。

　　刀具用PCD于PCBN圓片有越來越大趨勢，因為其直徑越大，可切割的刀頭數(shù)量越多，也越經(jīng)濟，故進口大片子走俏國內(nèi)市場。作為石油、地質(zhì)鉆探用 PCD并非越大越好，實踐證明，最大以Φ 19mm較為理想，河南新亞公司的石油與地質(zhì)鉆頭用PCD的規(guī)格較全，基本上滿足了市場需求。

　　4.1 石油和地質(zhì)鉆頭

　　PCD 1972年成功地用于地質(zhì)鉆探，在國外無此先例，另PCD用于鉆頭內(nèi)外徑的保徑及可制成擴孔器，亦屬我國首創(chuàng)。1975年《人民日報》稱人造金剛石已成套 地用于地質(zhì)鉆探（包括人造金剛石單晶和多晶金剛石、鉆頭制造、鉆進工藝），不僅是中國的技術(shù)進步，也推動了其他國家將人造金剛石用于地質(zhì)鉆探的步伐。 1975年P(guān)CD成功用于石油鉆探，在勝利油田用噴射式三刮刀PCD鉆頭，一只鉆頭可鉆穿三組地層，每只鉆頭進尺2400米以上，最高可達3135米，時 效60米/時（平均），與硬質(zhì)合金三刮刀鉆頭相比，每口井當時可節(jié)約2萬元，時間節(jié)省78%。與牙輪鉆為主的井相比，可節(jié)約成本137-226%，時間可 節(jié)約5-8天。

　　1987年在勝利油田渤南地區(qū)會戰(zhàn)中，有55口井從二開使用這種鉆打到井深2000—2600米、平均單只進尺2104.77米，與同地相同井段使用 的P型牙輪鉆頭相比，機械轉(zhuǎn)速提高70%，每米鉆進成本可減少14.9元，降低34.41%。渤南會戰(zhàn)共使用127只PCD刮刀鉆頭，累計進尺 222,631米，占鉆井總進尺的40.1%，可節(jié)省鉆井費用330多萬元。據(jù)不完全統(tǒng)計，14年來僅在勝利油田共推廣應用4000多只PCD刮刀鉆頭， 總進尺800多萬米，與牙輪鉆頭相比，以每米鉆進成本減少14.9元計，可節(jié)省鉆井費用約1億1920萬元，并為勝利油田實現(xiàn)鉆井速度翻番和鉆井速度連續(xù) 8年穩(wěn)居全國同行業(yè)之首發(fā)揮了重要的作用。

　　隨著工農(nóng)業(yè)的增長，我國的能源消耗速度增加，保持與增加原油、天然氣的產(chǎn)量是一項基本國策，為此國家制定了穩(wěn)定東部，開發(fā)西部的方針，從而適合于油田鉆進的PDC鉆頭需要量相應增加。

　　我國是煤炭生產(chǎn)大國，在煤田勘探中PDC鉆頭用量也日益增多，與硬質(zhì)合金鉆頭相比效果十分顯著。

　　4.2 切削刀具

　　80年代中期，我國已開始進行PCD和PCBN刀具的研制，PCD和PCBN刀具的需求以汽車和摩托車制造廠和其另配件生產(chǎn)企業(yè)為主，大約占整個國內(nèi) 的需求的80%以上，其余分布在家用氣器、通用機械等行業(yè)，需求量逐年上升，80年代每年2000—3000把，到97年大約需求26000把。

　　歐洲工具制造商對PDC和硬質(zhì)合金工具壽命做了比較，表明PDC工具長10倍，這些數(shù)據(jù)基于一定范圍的木制品的平均結(jié)果，包括中密度纖維板、硬天然木材和原紙板和層壓紙板。

　　木材加工業(yè)中使用PCD切削工具進行大批量生產(chǎn)的三個主要優(yōu)點表現(xiàn)在：增加了工具壽命；減少了非工作時間；改進了加工質(zhì)量。

　　在歐洲，強化復合地板的年使用量已達6000—7000萬平方米。目前，國內(nèi)已有十幾家中外合資企業(yè)引進國外先進技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)強化復合地板，所使用刀具全部從國外進口，價格昂貴，交貨期長，修磨不便。因此，給發(fā)展這種專用刀具提供了很大空間。

　　4.3 拉絲模

　　1978年P(guān)CD成功應用于拉絲模，不僅提高了拉絲的質(zhì)量和效率，還促使了拉絲工業(yè)的技術(shù)進步。

　　5、CVD金剛石膜—21世紀的材料

　　早在20世紀50年代和60年代末，蘇聯(lián)、美國等國的科學家已先后在低壓下實現(xiàn)了多晶薄膜的化學氣相沉積（CVD）。雖然當時其沉積速度非常之低，但 無疑是奠基性之舉。由于80年代初期金剛石薄膜的低壓氣相生成取得了突破性進展，全世界掀起了一股金剛石薄膜研究的高潮。國家科委高技術(shù)計劃新材料領(lǐng)域及 時安排了金剛石薄膜的制備與應用研究這個跟蹤項目。

　　研究證實高質(zhì)量的CVD金剛石多晶薄膜硬度、導熱、密度、彈性（以楊氏模量表征）和透光性物理性質(zhì)已達到或天然金剛石。

　　進入20世紀80年代以來，成功地發(fā)展了多種CVD金剛石多晶薄膜的制備方法，薄膜的生長速率、沉積面積和結(jié)構(gòu)性質(zhì)已逐步達到應用的程度。

　　在CVD金剛石薄膜的應用基礎(chǔ)研究中，有很多課題可以根據(jù)應用方向的需要加以選擇，研究條件中最重要的是測試、分析的診斷手段，國內(nèi)已基本具備，因而是能夠有所作為的。

　　侯立指出，金剛石膜近期和未來的重要應用是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)—機械加工工業(yè)。金剛石膜產(chǎn)品已在汽車行業(yè)、航天行業(yè)、拉絲制網(wǎng)行業(yè)得到廣泛的應用，部分產(chǎn) 品已經(jīng)小批量銷往國外市場；而且要不斷開發(fā)CVD金剛石新的生長技術(shù)，開拓CVD金剛石膜在更高層次的聲學、熱學、光學、電學的應用。

　　匡同春等指出，隨著現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)加工中心、流動機加工車間（FMS），計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的問世，以及機械加工正朝著精密、高速、高 生產(chǎn)率切削的方向發(fā)展，對刀具性能提出了相當高的要求，開發(fā)各種耐磨性優(yōu)良、能長時間進行穩(wěn)定加工的超硬切削刀具是必然趨勢。

　　為此，國內(nèi)的一些高等院校、科研院所和工具生產(chǎn)廠家，如吉林大學、清華大學、上海交通大學、湖南大學、沈陽金屬研究所、人工晶體研究所、廣州有色金屬研究所、株洲硬質(zhì)合金廠等也正加緊相關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)研究，實現(xiàn)CVD金剛石刀具產(chǎn)業(yè)化已為時不遠。

　　近年來，國內(nèi)加工CVD金剛石膜的技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，最基本的金剛石膜的切割、研磨、拋光以及金剛石膜與其它刀體材料的粘結(jié)（釬焊）技術(shù)。目前， 傳統(tǒng)的機械拋光方法在金剛石膜的加工中，仍占有一定的地位，但其加工質(zhì)量和成本，已遠遠不能適應CVD金剛石膜實用化的進程。不久的將來，各種先進的熱化 學方法、激光技術(shù)、光學加工方法、分子剝離技術(shù)、離子轟擊技術(shù)和涂層技術(shù)將成為CVD金剛石膜熱學、電子學、聲學和半導體應用及其產(chǎn)品制備的只要加工手 段。

　　據(jù)國際資源開發(fā)（IRD）公司統(tǒng)計數(shù)字表明：CVD金剛石膜產(chǎn)品將以幾乎兩年增長一倍的極快速度走向市場，全世界金剛石膜的銷售額，1990年約為2 億美元，1995年約為20億美元，2000年預計可達到40億美元。有關(guān)專家預計，2010—2020年金剛石膜直接市場將超過100億美元，相當于目 前合成人造金剛石產(chǎn)品市場的2倍。因此，金剛石膜被譽為二十一世紀的材料。

　　盡管由于金剛石膜的某些加工的制備關(guān)鍵技術(shù)，還沒有完全解決，導致實際市場的規(guī)模低于預測的結(jié)果，但人們十分清楚，某些問題的解決將會使金剛石膜市場成倍，甚至成數(shù)量級的增長。

　　可以預期，通過在金剛石膜科學技術(shù)領(lǐng)域中從事應用基礎(chǔ)研究的我國科學工作者的共同努力，將會有更多的研究成果達到國際前沿的研究水平，從而推動我國CVD金剛石膜這一重要的新型功能材料領(lǐng)域中的技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)形成作出應有的貢獻。

　　6、21世紀的“工業(yè)維他命”—納米結(jié)構(gòu)金剛石

　　納米結(jié)構(gòu)金剛石是一種兼具有金剛石和納米顆粒雙重特性的新型材料。這種金剛石自然界不蘊藏，靜壓法也制造不出來，由于其生長條件苛刻，所以其合成技術(shù) 直到1987年才由俄羅斯在實驗室率先研制成功，90年代初才投入批量生產(chǎn)。1993年中科院蘭州化學物理研究所，在國內(nèi)首先用炸藥爆轟法合成得到了平均 粒徑為1—10nm的納米結(jié)構(gòu)金剛石。據(jù)了解目前從事這一研究的單位還有：中國人民解放軍第二炮兵工程學院、北京理工大學、東南大學材料系、西南流體物理 研究所、西北核技研究所、北京溥澤科技開發(fā)中心等。可見，一支高素質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)金剛石研究開發(fā)技術(shù)隊伍已基本形成，并在爆轟技術(shù)、機理研究、提純處理、物 理測試等方面取得可喜進展。

　　炸藥爆炸合成金剛石的方法與傳統(tǒng)的石墨相變法（包括靜壓法和動壓法）和化學氣相沉積（CVD）法不同，它是以負氧平衡炸藥TNT和黑索金RDX經(jīng)一定 比例混配作原料（其中TNT為碳源，RDX為高壓源），置入密閉爆炸罐中，內(nèi)充惰性氣體（如CO和N），通過引爆和一定的爆溫（3000—5000K）爆 壓（20—30Gpa)控制，有機炸藥分子解離成碳原子或是原子團，在短瞬間（若干微秒）冷卻，收集爆炸固相（爆轟灰）；除去雷管導索等雜質(zhì)，用強酸除去 無定形碳及金屬雜質(zhì)，再用蒸餾水沖洗至中性，即可得到納米結(jié)構(gòu)金剛石。

　　為了解納米結(jié)構(gòu)金剛石特性，人們利用X射線衍射、透射電鏡、激光拉曼光譜、紅外吸收光譜、差熱和熱失重等對納米結(jié)構(gòu)金剛石的特性進行了表征，分析了不同合成條件對納米結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。

　　納米結(jié)構(gòu)金剛石的應用在美、日、俄、烏等國家已經(jīng)取得了很大進展。我國開展納米結(jié)構(gòu)金剛石應用研究雖然起步較晚，但經(jīng)過努力也已取得成果，例如，第二 炮兵工程學院與西安交大合作，研究開發(fā)了一種高效專用內(nèi)燃機磨合油，顯著縮短磨合時間，提高磨合品質(zhì)，改善發(fā)動機配合副表面耐磨性能；與第四軍醫(yī)大學合 作，把納米結(jié)構(gòu)金剛石作為生物抗體的載體，因它具有很好的表面惰性，不含重金屬雜質(zhì)，不會使生物抗體發(fā)生結(jié)構(gòu)和性能上的變化，不會影響其功能的發(fā)揮，有可 能在醫(yī)療上得到廣泛的應用；中科院蘭州化學物理研究所、西安核技術(shù)研究所在復合鍍層、橡膠和樹脂增強方面作了有益嘗試，哈爾濱工業(yè)大學用含有納米結(jié)構(gòu)金剛 石的研磨液對陶瓷滾珠進行磁流體研磨，得到了粗糙度只有0.013μm的表面等等。以上應用只是個初步的，但是個良好的開端。納米結(jié)構(gòu)金剛石能否產(chǎn)業(yè)化， 主要取決于應用。因此，加大納米結(jié)構(gòu)金剛石應用技術(shù)的研究與開發(fā)力度則是關(guān)鍵，而實行科研、生產(chǎn)、應用的“三結(jié)合”對加速應用步伐又是十分重要的。

　　綜上所述

　　1. 需求拉動了超硬材料的發(fā)展，而超硬材料的發(fā)展又推動著機械加工技術(shù)、地質(zhì)和石油鉆探技術(shù)，以及石材加工技術(shù)等的技術(shù)進步和發(fā)展。

　　2. 隨著超硬材料合成技術(shù)的不斷發(fā)展，物性研究的不斷深入，將為其應用領(lǐng)域的繼續(xù)擴大提供了可能。因此，我們應該積極能動的去搜索，去發(fā)現(xiàn)，去開拓它的應用，以求擴大其新的需求。

　　3. 超硬材料未來的發(fā)展，仍離不開應用的需求，由于超硬材料所具有的一系列優(yōu)異技術(shù)特性，隨著現(xiàn)代化工程技術(shù)的高速發(fā)展，可以肯定它的應用領(lǐng)域會越來越寬的。