濟(jì)南特瑞數(shù)控刀具有限公司
我們以十分喜悅的心情迎來了我國人造金剛石研制成功50年華誕。進(jìn)入21世紀(jì)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展日新月異，超硬材料應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綄拸V。在取得輝煌成就的同時(shí)，也要清醒地認(rèn)識到與世界的差距?；仡?0年，展望未來，特提出以下展望，為早日實(shí)現(xiàn)中國超硬材料強(qiáng)國夢而共同努力!
一、戰(zhàn)略方向
1、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，多品種、多規(guī)格發(fā)展，大力加強(qiáng)制品開發(fā)研究，著力應(yīng)用技術(shù)研究，以適應(yīng)多元市場的需求。
2、大力培肓我國的民族品牌，積極爭取更多的國際超硬材料話語權(quán)。
3、加強(qiáng)超硬材料光、聲、熱、電等功能的開發(fā)應(yīng)用;積極開展更髙壓力下(10GPa以上)合成超硬新材料的研究。
4、 健全標(biāo)準(zhǔn)體系、技術(shù)規(guī)范、檢測方法和認(rèn)證機(jī)制，進(jìn)一步完善超硬材料及制品標(biāo)準(zhǔn)的研究、制訂、推廣，與國際接軌。
5、加強(qiáng)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)能力建設(shè)，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，建立技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
6、加強(qiáng)創(chuàng)新人才隊(duì)伍建設(shè)，促進(jìn)知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，重視高端人才的培養(yǎng)和引進(jìn)，建立健全行業(yè)人才服務(wù)體系。
二、技術(shù)趨勢
1、材料
(1)CVD材料產(chǎn)業(yè)化
CVD金剛石薄膜生長技術(shù)的研究始于上世紀(jì)80年代中期，從90年代后期至今，各類用途的CVD金剛石材料及其制品已經(jīng)開始工業(yè)化生產(chǎn)，其應(yīng)用前景和潛在市場極為廣泛。
CVD金剛石已成為加工業(yè)、汽車、信息、能源領(lǐng)域以及國防、軍工和尖端技術(shù)的關(guān)鍵材料。因此，加快CVD生長技術(shù)研究及其產(chǎn)業(yè)化，是我行業(yè)當(dāng)前急需解決的現(xiàn)實(shí)問題。
(2)金剛石的功能性研究與應(yīng)用
金剛石除了優(yōu)異的機(jī)械性能外，還具有很多卓越物理化學(xué)性能。如：金剛石的導(dǎo)熱性好，可用于微波器件、大功率固體激光器、散熱片和大規(guī)模集成電路等;金剛石晶體的電子親和勢小，是理想的場發(fā)射陰極材料，可用于冷陰極場發(fā)射器件;同時(shí)金剛石又是一種寬帶(Eg=5.5eV)、擊穿電壓(107V)和飽和電流(2.7×107cm s-1)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Si、 GaAs、 InP等常用的半導(dǎo)體材料，結(jié)合其優(yōu)異的高溫性能，在微電子領(lǐng)域，基于金剛石的集成電路是現(xiàn)有硅基集成電路強(qiáng)有力的競爭者。用金剛石制造的對頂砧(DAC)是高壓物理、高壓化學(xué)研究不可缺少的手段;金剛石從深紫外到遠(yuǎn)紅外全透明，可應(yīng)用于巡航導(dǎo)彈紅外探測器的窗口、激光窗口材料、透鏡材料，和光學(xué)保護(hù)涂層;還可用來作半導(dǎo)體熱阱、熱敏電阻及高靈敏溫度計(jì)。加強(qiáng)金剛石功能性研究與應(yīng)用是行業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保障。
(3)立方氮化硼的功能性研究與開發(fā)
立方氮化硼晶體(CBN)具有6.4eV最寬的直接帶隙，是一種十分優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，它在高溫高功率寬帶器件微電子學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。立方氮化硼能產(chǎn)生二階非線性光學(xué)效應(yīng)，可以用于光的高次諧波發(fā)生器、電光調(diào)制器、可見-紫外光轉(zhuǎn)換器、光學(xué)整流器、光參量放大器等等。此外，立方氮化硼與金剛石一樣還具有很強(qiáng)的抗輻射能力，可用于抗輻射器件。因此，對立方氮化硼材料功能性的研究與開發(fā)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
(4)高端PDC急待突破
目前國內(nèi)PDC總體有了明顯的進(jìn)步，可供拉絲模、煤田鉆采、和一般的石油鉆采用。但大直徑PDC、深孔鉆進(jìn)用PDC，高速、高壽命刀具PDC還無法與國外競爭，我國髙端PDC仍然靠進(jìn)口，這種局面必須盡快解決。
(5)新型超硬材料的研究
尋找高硬度、高化學(xué)惰性和高熱穩(wěn)定性的新型類超硬材料是超硬材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。如果從理論設(shè)計(jì)的角度出發(fā)設(shè)計(jì)新型超硬材料，再通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證能夠開發(fā)出新型的超硬材料，將使它兼有金剛石和立方氮化硼這兩種超硬材料的優(yōu)點(diǎn)，克服它們的缺點(diǎn)，必然將成為新一代的超硬材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。
(6)寶石級金剛石的研發(fā)
20年來，寶石級金剛石合成技術(shù)方面取得了長足的進(jìn)展。1990年，日本的住友電氣公司，用大晶種方法生長出9克拉Ib型金剛石單晶，生長速度提高到15mg/h;1996年，De Beers公司用1000h合成出重量達(dá)25克拉的優(yōu)質(zhì)Ib型金剛石單晶，代表了當(dāng)今寶石級金剛石的培育最高技術(shù)水平。美國卡內(nèi)基研究院地球物理實(shí)驗(yàn)室于1998年開始CVD單晶金剛石培育技術(shù)的開發(fā)，2004年生長出對角長10mm、厚4.5mm的單晶金剛石，生長速度100μm/h、最高速度達(dá)到300μm/h，所得到的單晶呈褐色，經(jīng)高溫高壓處理后為無色，2005年生長出10克拉的透明單晶金剛石。
目前，我國中南鉆石有限公司、黃河旋風(fēng)股份有限公司、焦作華晶鉆石有限公司等，在已能生產(chǎn)4mm左右的金剛石大單晶。黃河旋風(fēng)股份有限公司已經(jīng)培育出10mm的寶石級大單晶金剛石;吉林大學(xué)可以生產(chǎn)0.8ct的寶石級優(yōu)質(zhì)大單晶。在此基礎(chǔ)上，我們應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對寶石級人造金剛石的合成方法及工藝技術(shù)進(jìn)行深入研究與開發(fā)。
(7)納米金剛石產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用開發(fā)
納米金剛石除了具有金剛石的一般特性外，同時(shí)還具有納米材料的特性，在復(fù)合鍍層、研磨、拋光、潤滑、密封、高強(qiáng)樹脂和橡膠等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，顯示出良好的應(yīng)用前景，我們必須高度重視納米金剛石產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用，同時(shí)關(guān)注納米立方氮化硼的研發(fā)。
(8)加速原輔材料的改進(jìn)與研發(fā)
傳壓介質(zhì)、頂錘壓缸、觸媒合金、炭源材料及氮化硼原料是超硬材料生產(chǎn)不可或缺的五大支柱，為了適應(yīng)我國超硬行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，必須加速原輔材料的改進(jìn)與研發(fā)，抓緊研制新型傳壓介質(zhì)、納米—亞納米鐵基制品金屬粉、新型炭源材料及優(yōu)質(zhì)氮化硼，特別是硬質(zhì)合金件的配套跟進(jìn)尤為重要。
2、制品
(1)高檔超硬材料刀具的開發(fā)與應(yīng)用
超硬刀具符合現(xiàn)代高速、高效、高穩(wěn)定性、低成本以及低碳環(huán)保的要求，是一種理想的綠色切削刀具，在汽車、航天航空、能源、軍工、機(jī)械等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用?，F(xiàn)代制造技術(shù)和難加工材料的發(fā)展推動(dòng)著刀具技術(shù)正向著高速切削、高精度和硬態(tài)干式切削的方向發(fā)展。開展高性能的PDC、PCBN刀坯材料的研究、精密PDC刀具、金剛石單晶刀具與PCBN刀具的制造技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)的研究，是超硬材料刀具開發(fā)與應(yīng)用的重要任務(wù)。
(2)深層油(氣)鉆采用PDC切削齒和深孔地礦勘探鉆頭的研發(fā)
鉆探用金剛石/硬質(zhì)合金切削齒(PDC)引起了石油天然氣鉆采行業(yè)的一場技術(shù)革命。由于淺層油氣資源的可采儲(chǔ)量越來越少，人們不斷探索更深地層儲(chǔ)藏的石油天然氣。以往的油井井深多為1000——2000m，如今3000——4000m井深成為主流，有的石油深井甚至已達(dá)7000m。鉆井越深，所處地層受上部地層的壓力越大，巖石越致密，鉆進(jìn)難度越大，提升PDC品質(zhì)就顯得尤為重要。海洋鉆探、采油氣(包括可燃冰)是未來能源新的戰(zhàn)場。這些鉆頭對PDC的技術(shù)要求更高，更應(yīng)引起足夠重視。
開發(fā)固體礦產(chǎn)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要命脈之一。由于采礦技術(shù)的限制，以前我國固體礦產(chǎn)資源采礦深度一般均不到500m，現(xiàn)在采礦深度已達(dá)1000-1200m，國家要求找礦勘探深度達(dá)到1500-2500m。因此，就固體礦產(chǎn)資源勘探而言，開發(fā)深孔鉆頭是目前重大的攻關(guān)課題。
(3)新型金剛石有序排列鋸切工具和薄壁鉆以及金剛石繩鋸
高效耐用的有序分布規(guī)則排列金剛石鋸切工具和薄壁鉆的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化
鋸切工具和薄壁鉆工具是金剛石制品中用量最大的一類，其節(jié)塊中金剛石有序分布代替隨機(jī)無序分布，可顯著提高鋸片和薄壁鉆工作效率和使用壽命，是世界上近年的新進(jìn)展。有序排列金剛石鋸片和薄壁鉆制造技術(shù)與專用工藝裝備的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，是金剛石制品重要發(fā)展方向之一。
新型金剛石繩鋸的推廣應(yīng)用
金剛石繩鋸在礦山開采中替代傳統(tǒng)的打眼放炮的方式，可以大量節(jié)省石材資源，目前正處于產(chǎn)品發(fā)展和推廣應(yīng)用階段。細(xì)直徑小規(guī)格的高效精密加工用金剛石繩鋸的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮。
超硬涂附磨具的開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化
我國是涂附磨具的生產(chǎn)大國，但超硬材料涂附磨具所占比例甚小，為適應(yīng)現(xiàn)代磨削技術(shù)的發(fā)展、硬脆材料磨削和拋光加工的需要，必須大力開發(fā)超硬材料涂附磨具，并使其產(chǎn)業(yè)化。
高效耐用金剛石線鋸的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化
半導(dǎo)體、光伏和LED照明領(lǐng)域的硅/藍(lán)寶石材料的切割加工發(fā)展，使得金剛石線鋸逐漸顯現(xiàn)出一系列無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：加工表面損傷小、撓曲變形小、省材料、效率高。為此，作為半導(dǎo)體、光伏、LED照明材料的生產(chǎn)大國，必須加快高效耐用金剛石線鋸的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。
高檔陶瓷立方氮化硼砂輪的研制與產(chǎn)業(yè)化
陶瓷立方氮化硼砂輪是高速、高效、高精度、低磨削成本、低環(huán)境污染的高性能磨具，成為世界上競相研究開發(fā)的熱點(diǎn)和當(dāng)代磨具產(chǎn)品發(fā)展的一個(gè)重要方向。在美國、日本、德國、英國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的航天航空、軸承、汽車、工具等行業(yè)已進(jìn)入規(guī)模應(yīng)用或普及階段。因此，必須加大高檔CBN陶瓷砂輪的研究與開發(fā)的力度，擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。
金剛石工具新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用
為實(shí)現(xiàn)大力發(fā)展制品的目標(biāo)，提高制品的質(zhì)量檔次，需要加強(qiáng)以下基礎(chǔ)工作的研究與開發(fā)：
A、原材料處理與控制技術(shù)與裝備，包括磨料表面的處理技術(shù)、結(jié)合劑(胎體材料)的細(xì)化技術(shù)，凃附磨具基材處理技術(shù)，以提高結(jié)合劑(胎體材料)的性能及其與磨料、基材的結(jié)合強(qiáng)度。
B、新型結(jié)合劑(胎體)，提高對磨料的把持力，從而提高使用壽命和加工效率。例如，具有優(yōu)良綜合性能的復(fù)合結(jié)合劑(樹脂-金屬、陶瓷-金屬等)、代鈷結(jié)合劑、填料改性技術(shù)等。
C、精密均勻成型技術(shù)與裝備，該類技術(shù)是提高制品內(nèi)在質(zhì)量的基礎(chǔ)之一，包括高效率的磨料均勻分布及有序排列技術(shù)、小直徑高厚度的細(xì)長工具的精密成型技術(shù)、電鍍制品的上砂控制技術(shù)(磨料的濃度和均勻性)、涂附磨具的均勻植砂與涂膠技術(shù)。
D、高效、節(jié)能燒結(jié)技術(shù)與裝備，提升燒結(jié)質(zhì)量、降低能耗、提高效益。
E、制品的高效精密加工技術(shù)與裝備，包括刀具、磨具、薄壁鉆等制品的后加工技術(shù)，確保制品應(yīng)用于精密加工目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
日出江花紅勝火，春來江水綠如藍(lán)。當(dāng)我們推開超硬材料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的大門，一場新的“大考”已經(jīng)開始，我們付出所有的智慧和辛勞，都為了早日圓超硬材料強(qiáng)國夢。讓我們張開雙臂，擁抱超硬材料及其制品發(fā)展新的春天，為實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興，做出我們超硬人新的更大的貢獻(xiàn)!(節(jié)選自《中國超硬材料工業(yè)五十年》)
濟(jì)南特瑞數(shù)控刀具有限公司
2014-01-08
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