立方氮化硼單晶：超硬材料的性能與應(yīng)用

立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，簡(jiǎn)稱cBN）是一種人工合成的超硬材料，其單晶硬度僅次于金剛石，顯微硬度可達(dá)71.54GPa，但具有比金剛石更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，成為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵材料。

cBN單晶的晶體結(jié)構(gòu)與金剛石類似，由硼原子和氮原子以共價(jià)鍵結(jié)合形成立方晶格，這種結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的物理特性。在高溫環(huán)境下，cBN單晶表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，可在1450℃以下正常使用，遠(yuǎn)超金剛石（720℃即發(fā)生氧化）。其導(dǎo)熱系數(shù)為79.54W/m·K，雖低于金剛石，但仍顯著高于硬質(zhì)合金和高速鋼，有利于切削過(guò)程中熱量的快速傳導(dǎo)。此外，cBN單晶具有極寬的禁帶寬度，通過(guò)摻雜可制成p型或n型半導(dǎo)體，為高溫電子器件領(lǐng)域提供了新可能。

合成cBN單晶主要采用靜態(tài)高壓觸媒法，以六方氮化硼（hBN）為原料，在金屬鎂或氮硼化物（如Li?N、Mg?N?）觸媒作用下，于4-8GPa高壓和1400-1800℃高溫條件下轉(zhuǎn)化生成。早期合成技術(shù)受限于晶粒尺寸（通常小于0.5mm），但通過(guò)優(yōu)化觸媒配比及溫度梯度法，已能制備出毫米級(jí)大顆粒單晶。

cBN單晶的應(yīng)用集中于兩大領(lǐng)域：一是作為磨具材料，小顆粒單晶通過(guò)結(jié)合劑粘結(jié)成砂輪等制品，用于加工高硬度、高韌性材料（如淬硬鋼、鈦合金），其金屬磨除率是金剛石的10倍，且壽命更長(zhǎng)；二是作為刀具材料基礎(chǔ)原料，通過(guò)燒結(jié)細(xì)粒cBN制成聚晶立方氮化硼（PCBN），克服單晶各向異性缺陷，實(shí)現(xiàn)高速切削淬硬鋼、鑄鐵及難加工合金，支持干式切削和自動(dòng)化加工。

中國(guó)是全球cBN單晶主要生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量占全球70%以上，鄭州等地形成產(chǎn)業(yè)集聚地。2022年國(guó)內(nèi)cBN刀具市場(chǎng)規(guī)模達(dá)35.8億元，預(yù)計(jì)全球市場(chǎng)將以7.7%年復(fù)合增長(zhǎng)率擴(kuò)張。隨著技術(shù)突破，cBN單晶在半導(dǎo)體、光學(xué)及高溫應(yīng)用領(lǐng)域的潛力正逐步釋放。

信陽(yáng)市德隆超硬材料有限公司推出的DL-8500牌號(hào)CBN單晶，屬黑色系立方氮化硼范疇，晶面較多，具有分明的棱角，可細(xì)分為A、B型，A型具有完整規(guī)則塊狀形貌，切削研磨效率高，有更高的強(qiáng)度；B型晶體呈不規(guī)則塊狀或片狀形貌，鋒利性高，自銳性好。