Как следует из названия, сверхтвердые материалы — это материалы с чрезвычайно высокой твердостью. Вообще говоря, твердость алмаза самая высокая, твердость по Моосу составляет 10, а твердость CBN немного ниже, чем у алмаза. Поэтому к сверхтвердым материалам обычно относят алмаз и CBN или композиты из этих двух материалов в качестве основных компонентов.

Твердость корунда, SiC, цементированного карбида и быстрорежущей стали, четырех видов твердых материалов, используемых в качестве ?промышленных зубьев?, намного ниже, чем у алмаза и эльбора. Поэтому сверхтвердые материалы также известны как самые твердые и острые ?промышленные зубы? или ?короли материалов?.

1. Алмаз

Как и другие углеродные материалы, основным химическим элементом алмазов является углерод. Неважно, природный ли это бриллиант или искусственный алмаз, независимо от того, какой алмаз будет содержать больше или меньше примесей. Алмаз обычно содержит примеси азота. По разнице содержания азота в кристалле алмаза алмаз можно разделить на два типа (алмаз I типа и алмаз II типа).

В последние годы углеродные материалы представляют собой очень горячие материалы. XXI век также известен как ?углеродный век?. Углеродные материалы широко используются в различных областях из-за их превосходных свойств, особенно в развивающихся национальных стратегических отраслях, таких как графен и углеродные наноматериалы, углеродное волокно и его композиты, алмазные пленки на основе углерода и традиционные углеродные материалы (сажа, пористый углерод, графит, специальный графит и т. д.) имеют широкие перспективы применения в литиевых батареях, конденсаторах, накопителях энергии, фотогальванике, полупроводниках, фотоэлектрических дисплеях, связи 5g, датчиках, авиации общего назначения, транспорте будущего, высококлассном оборудовании и других областях.

2, сбн

Кубический нитрид бора (CBN) является второй по величине разновидностью сверхтвердых материалов. Химическая структурная формула нитрида бора — BN, который состоит из бора и азота. Нитрид бора имеет четыре различные кристаллические структуры, в основном гексагональный нитрид бора (hBN), кубический нитрид бора (CBN), ромбический нитрид бора (RBN) и плотный гексагональный нитрид бора (WBN). Атомы азота и бора в hBN и RBN гибридизованы в SP2, а атомы азота и бора в CBN и WBN гибридизованы в SP3.

Твердость CBN немного ниже, чем у алмаза, а цвет кристаллов зависит от типа и количества примесей. CBN обладает уникальными фотоэлектрическими характеристиками. Синтез крупногабаритного и высококачественного монокристалла CBN является неизбежным выбором для применения в функциональных устройствах. Однако большой размер кристалла CBN гораздо менее успешен, чем у алмаза. Это может быть связано с тем, что условия синтеза CBN с крупными частицами более жесткие, и его применение не нашло подходящей области.

Применение сверхтвердых материалов

1. Изделия из сверхтвердых материалов

Сверхтвердые материалы, изделия и инструменты из них нашли широкое применение в промышленности. Они не только решают проблемы, которые невозможно или трудно решить с помощью традиционных инструментов, но также значительно повышают эффективность традиционной обработки и значительно сокращают потребление и сброс отходов.

 

Несколько изделий и инструментов из сверхтвердых материалов (A. лезвие; B. шлифовальный круг; C. пильный диск; D. сверло)

К основным разновидностям изделий и инструментов из сверхтвердых материалов относятся пильные инструменты, абразивы (в том числе армированные абразивы, абразивы с покрытием и насыпные абразивы), режущий инструмент, сверлильный инструмент, отделочный инструмент, волочильные штампы, другие инструменты и различные функциональные детали.

2. Природные и искусственные алмазы

(1) Природный алмаз

Алмазы, извлеченные из природных алмазов, называются природными алмазами. Природные бриллианты яркие, великолепные, редкие и драгоценные. Они считаются сокровищами. Есть реклама, в которой говорится, что ?бриллиант будет длиться вечно, вечный?, хорошо известная китайским женщинам и детям.

Помимо использования в качестве ювелирных изделий, природный алмаз больше используется в промышленности. Промышленное использование алмаза уже давно заключается в использовании его особой высокой твердости. Алмазный нож для резки стекла напоминает нам о том, что алмаз используется для подготовки буровых долот для геологоразведки и добычи нефти и угля. Алмаз окисляется кислородом в разной степени при высокой температуре, особенно при хорошем сродстве с железом, поэтому он не подходит для обработки черных металлов.

(2) Искусственный алмаз

Искусственный алмаз, также известный в промышленности как лабораторный синтетический алмаз или культивированный алмаз. Искусственные алмазы с крупными частицами или монокристаллами используются для обработки ювелирных изделий с синтетическими бриллиантами. Искусственные алмазы — это также настоящие бриллианты, имеющие тот же состав и структуру, что и природные алмазы. Этих двоих можно отличить только особым образом. Например, под катодолюминесцентным прибором текстура роста первого является геометрической, а второго — кольцевой. С 2006 года GIA и другие ювелирные учреждения начали предоставлять услуги по идентификации и выдавать сертификаты, главным образом для того, чтобы не дать торговцам продавать синтетические бриллианты по более низким ценам, чем природные бриллианты. В прошлом исследователи алмазной отрасли искали эффективные методы синтеза искусственных алмазов, но прорыва не произошло. Двумя основными препятствиями являются затраты и производственные факторы. После десятилетий исследований технология синтеза крупных монокристаллов алмаза методом сверхвысокого давления и высокой температуры в условиях статического катализатора стала зрелой. Китай добился быстрого развития в области технической разработки и применения крупных монокристаллов синтетического алмаза, синтезированных методом сверхвысокого давления и высокой температуры, и синтетического алмаза, синтезированного методом CVD с микроволновой плазмой. Ювелирные изделия с синтетическими бриллиантами проданы на рынке и начали обретать форму.

3. Основные области применения CBN

CBN обладает уникальными преимуществами по сравнению с алмазом, такими как высокая термическая стабильность и химическая инертность по отношению к элементам группы железа.

В настоящее время CBN в основном используется в двух аспектах: во-первых, для производства абразивных инструментов, а во-вторых, для изготовления поликристаллического кубического нитрида бора в качестве инструментального материала. Таким образом, CBN уникален для обработки черных металлов, что обеспечивает новый инструмент для обработки твердых и прочных труднообрабатываемых материалов на основе железа.

Используется как абразивный материал. Его можно использовать не только для обработки материалов на основе железа, но и для обработки материалов из цветных металлов.

Используется как инструментальный материал. Поликристаллический кубический нитрид бора обычно используется для режущих инструментов. PCBN представляет собой микропорошок, приготовленный из монокристалла CBN. Его готовят путем добавления карбида титана, кобальта и других клеев, а затем спекания при высоком давлении и высокой температуре с помощью шестистороннего верхнего пресса. Особенно эффективен для обработки черных металлов и их сплавов, особенно подходит для высокоскоростной резки и сухой резки. Он выполняет точение вместо шлифования и фрезерование вместо шлифования, что значительно повышает эффективность производства.

Используется как функциональный материал. CBN с высокой теплопроводностью может применяться в фотоэлектрических функциональных устройствах.

Сверхтвердый материал представляет собой небольшую разновидность множества различных материалов, но это незаменимый материал, который может постепенно заменить некоторые другие материалы.