超硬材料行业技术发展现状与展望*

吕 智，谢志刚，林 峰，苏 钰，谢德龙，陈 超，潘晓毅，肖乐银，彭少波，陈家荣，秦建新

(国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西超硬材料重点实验室,中国有色桂林矿产地质研究院，桂林 541004)

超硬材料行业技术发展现状与展望*

吕 智，谢志刚，林 峰，苏 钰，谢德龙，陈 超，潘晓毅，肖乐银，彭少波，陈家荣，秦建新

(国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西超硬材料重点实验室,中国有色桂林矿产地质研究院，桂林 541004)

最近几年，超硬材料行业技术进步可圈可点，如金刚石大单晶、隧道窖无压烧结技术、组锯、精密加工金刚石工具、整体PcBN、NPD等，其它产品也稳中有进。未来超硬材料行业将进入稳定发展格局，既要发展高端制品，又要开拓超硬制品应用新领域，扩大在精密加工、手机背板陶瓷材料、人造石、工程机械、石墨烯等领域的应用，同时要增强超硬材料在功能应用方向开发并重视产品细节，加强质量控制。整个行业要加强基础性研究和实施创新战略，并要联合攻关，加强运作和宣传，以实现我国超硬材料及制品由大国向强国的转变。

超硬材料行业；技术发展；综述；现状；展望

我国已由超硬材料生产大国逐步进入了强国行列。主要特征是；六面顶压机全面取代两面顶成为世界主流合成设备，产品系列已基本满足使用要求，综合性能指标与国外已无实质性差异。但制品总体上仍处于生产大国，不是强国[1-2]。主要特征是；高端制品仍大量进口，价格居高，许多核心技术仍由国外掌控，国内原创技术不多。但国内近几年来也有许多技术进步可圈可点，与国外的差距有所缩小，部分产品已全面取代进口。

1 超硬材料行业技术发展现状

1.1 超硬材料

1.1.1 金刚石大单晶和cBN取得突破性进展

近几年，金刚石大单晶合成技术已成熟[3]，2～3mm尺寸的无色透明大单晶(白钻)已大批量生产，4～5mm的单晶也能量产，但限于市场因素和客户的心理接受程度，其市场规模仍较小。更大尺寸的单晶已开展实验工作，合成技术尚不成熟。目前行业约有2500～3000台压机用于金刚石大单晶的合成。行业内已有快速鉴定天然与合成钻石的设备，约为20万/台，预计很快投向市场。国内的大单晶主要销往印度，目前，0.3～0.5ct的单晶销量最好，大部分采用现金交易。大单晶主要用于钱包、手表、皮带等的装饰，价格近年来下跌较快，目前已接近成本水平。

我国的cBN单晶产品系列化取得重大进展，产品性能达到国际先进水平，大量出口，全球市场占有率已处绝对优势。大尺寸cBN单晶的研究也取得一定的进展，完整晶形达到1mm以上的大尺寸单晶已能合成，更大尺寸的cBN单晶也正在研发中。

1.1.2 PCD正缩小与国外产品差距

最近几年国内的PCD合成技术发展很快，正在缩小与国外产品的差距。10μm以上中粗粒度产品与国外差距不大，基本处于同一水平。5μm以下细粒度产品与国外产品水平差距较大，尤其是在质量稳定性方面。1～2μm及以下的PCD片国内也能生产，但成品率低、稳定性差。另外，国外PCD片最大直径超过了100mm，主流产品尺寸为60～80mm，而国内最大尺寸只能做到60mm左右。高端PCD复合片目前市场上仍以元素六、DI、住友等公司为主。

1.1.3 整体PcBN大量推向市场

目前，添加一定比例粘结剂、去衬底的整体式PcBN已成功应用于金属的粗加工，其合成条件低，烧结温度约为1300℃～1500℃，压力在4～5GPa左右。去衬底化、无结合剂化的PCD/PcBN是今后的发展趋势。

1.1.4 石油钻井用PDC与国外的差距进一步缩小

国内石油钻井用PDC的产品质量已达到国外同类产品水平，性能相差不大，差距主要体现在质量稳定性方面。价格约为国外产品的80%。

1.1.5 NPD国内研发成功，正在进行产业化测试

目前，国外的NPD产品已达到厘米级，正逐渐向商业化迈进。国内在NPD方面的研发较晚，目前仅有四川大学、燕山大学、河南工业大学等单位在开展相关的研究工作，有资料表明Φ6×6mmNPD已研发成功，能小批量测试，厘米级的NPD研发已在进行。NPD的合成条件要求较高，压力在15GPa左右，温度要达到2000℃，合成时间在8小时以上。受制于生产成本高等因素，尚未产业化应用[4]。

1.1.6 CVD金刚石

CVD金刚石在工具及功能材料中的应用进展不大。工具应用方面其市场容量小，国内整个行业产值不超过5000万元。在功能材料方面，CVD金刚石只在一些特殊场合，如红外窗口、光刻机等方面有应用。CVD的真正优势是应用在功能材料方向，超硬材料行业要加快CVD金刚石生长技术研究及其产业化进程，促进CVD金刚石在功能材料领域的快速发展。

1.1.7 球齿

最近几年，国内球齿研发虽有一定的进展，但没有取得突破性应用[5]。球齿的应用实验成本高，投入大，短期内还难以进入盾构机等主要工程应用领域。

在应用方面，有资料表明：在国外，球齿在石油冲击钻头上有应用，占油气井钻头产值的10%。国内也有相应的报道，如某公司生产的球齿已经出口欧美市场，年出口量约为2000万元，主要应用在石油钻头的非主要部位。

1.2 超硬材料制品及技术

1.2.1 隧道窖无压烧结技术有重要突破

近两三年，隧道窖无压烧结技术取得了重要突破，国内已有厂家利用该技术大规模生产金刚石锯片刀头。隧道窖无压烧结技术能以数量级幅度降低生产成本，提高生产效率，并且有利于自动化生产。目前该技术还有一定的局限性，但整体上看，隧道窖无压烧结技术在超硬材料工具制造方面将会得到进一步推广应用。

1.2.2 组锯机与组锯绳成功推向市场

目前组锯绳规格为Φ(6～7)mm，以切割大型花岗岩为主。组锯机以28条/组和56条/组为主，正在开发72条/组的组锯机。由于组锯对设备精度要求很高[6-7]，特别是对各条绳锯的质量稳定性和工作一致性有苛刻的要求，导致组锯尚未大规模应用。

组锯技术研发成功，是对大板切割工艺的一项重要创新，标志着我国金刚石绳锯全面进入世界先进水平。

1.2.3 金刚石玻璃磨边轮和打孔钻具有国际市场定价权

玻璃加工用青铜基磨边轮和打孔钻[8]，国内产品性能达到国际领先水平，特别是在加工效率方面已远超国外同类产品。国内磨边轮的正常加工效率为12～15m/min，是相同加工条件下国外产品的3～4倍。国内该产品具有国际市场定价权。

树脂基磨边轮，国内产品与国外的相比尚有一定的差距，主要体现在：大面积接触加工时产品的质量稳定性尚待提高。整体而言，这种差距明显在缩小。

1.2.4 电镀金刚石线锯成功应用于多晶硅切片

2016年下半年，多晶硅切片的后续工艺——黑硅技术已成熟并实现了产业化，解决了金刚石线切割多晶硅片时降低光电转化率的瓶颈问题，为金刚石线在多晶硅切片领域的应用打开了市场。

目前，单晶硅和多晶硅的市场比大概为3∶7，随着黑硅技术的突破及线锯技术水平的提高，预计金刚石线在多晶硅切片市场将迎来爆发式增长。以目前的0.2元/米的价格估算，预计全球年消耗量会达到100亿元。线锯的发展前景良好。

1.2.5 cBN砂轮进入相对平衡发展阶段

国内cBN砂轮进入相对平衡发展阶段，技术稳定性有明显提高，许多产品与国外产品处于同一水平。特别在高速磨削方面，150～200m/s以上产品在质量上已接近进口产品水平。由于进口设备的原因，在发动机部件加工上，仍以进口产品为主，国内产品主要用于配件加工。在价格上，国内产品价格约为进口产品的70%～80%。最近几年国内市场竞争激烈，导致cBN砂轮价格下跌，产品利润下降。

1.2.6 金刚石锯片

最近几年专业片技术进步明显，寿命已经达到了3万～4.5万m2/片，与5年前的使用寿命相比翻倍提高，并且效率也在同步提高。我国的专业片主要出口北美市场，近年欧洲市场增加很快。部分厂家的技术与国外处于相同水平，并且领先于韩国等部分国家。通用锯片的价格已经接近成本水平，市场竞争激烈。部分厂家已将生产基地设在泰国、越南等地，以降低生产成本。

金刚石锯片必须持续不断的进行技术创新，并且在产品细节、工艺等方面有持续的改进，才能在残酷的市场竞争中占据一席之地。

1.2.7 钎焊金刚石工具

当前，单层钎焊技术已基本成熟[9]，并且有产业化应用和生产。单层钎焊金刚石工具加工条件要求高，使用范围窄，因此产量不高，只能作为特殊用途的一种补充。多层钎焊金刚石工具的制备技术已成形，但修整困难，严重制约了其产业化应用和推广。

1.2.8 陶瓷加工金刚石工具

陶瓷加工用金刚石工具全球市场容量约50亿元人民币。目前中国占全球市场的90%以上，产品种类方面已全部覆盖。釉砖由于制作方式与普通陶瓷砖不同，花纹多样，抛光时光亮度高，多采用弹性磨块干式加工。近年来在干式加工和绿色加工方面取得进展。

1.2.9 精密加工工具取得重要进展

精密加工工具是附加值很高的产品，近几年取得较大进展，如超薄切割片、玻璃加工刀轮、超高速高性能cBN砂轮等。国内个别公司的PcBN精密刀具早已进入整车市场，用于手机背板加工的PCD刀具也有重大突破。

2 超硬材料行业技术发展展望

2.1 行业发展将进入相对稳定格局

超硬行业将进入相对稳定的发展局面，各企业独特的产品优势将更加明显，行业分工会进一步细化。在这个过程中，每个企业将会找准自己的定位，做出特色、做出优势，并避免盲目的恶性竞争，促进行业健康发展。

2.2 发展高端制品，推动我国超硬制品产业向世界强国迈进

我国的高端超硬制品，如精密加工工具、专业锯片、高速砂轮、细粒度低含量PcBN等，与国外同类产品相比仍有较大差距。努力提高我国超硬材料及制品的技术水平，发展高端制品，已成为迫在眉睫的事。行业人士应重点选择一些更有发展前景或有望得到快速应用的新产品新技术进行开发。

2.2.1 金刚石线锯

2016年下半年，线锯切割多晶硅的核心技术实现突破，金刚石线锯将全面应用于多晶硅切片领域。发展金刚石长线锯等高端制品，将会促进我国光伏及相关产业的快速发展，对于中国的经济发展具有重要意义。

另外，金刚石线锯也可应用于石墨，贵重金属，晶体，陶瓷、磁性材料等的切割。研发针对不同形状、不同材质的高端金刚石线，开发多线、网面切或曲面切等加工方式，是未来超硬制品发展的一个重要方向。

2.2.2 隧道窖无压烧结技术

利用隧道窖无压烧结技术制备的刀头在使用性能上已达到热压烧结同类产品的水平。展现出了极好的发展前景和市场价值。目前，国内只有部分较大规模厂家才具备相应的设备及配套技术。但随着技术的进步，隧道窖无压烧结技术必将会有更广泛的应用，在自动化、智能化方面将会有重大突破。

2.2.3 人造金刚石大单晶刀具及功能材料

大单晶刀具适合对表面粗糙度、几何形状精度和尺寸精度有较高要求的精密加工领域，可作为特定加工场合的辅助和补充。随着国内大单晶的突破，取代天然单晶刀具是大概率事件。

另外，金刚石大单晶具有热学、光学、电学、声学等方面的优异性能，越是在强酸、强碱、强辐射等极端恶劣条件下，金刚石大单晶的性能就体现得越发明显和突出。因此，要重点开发大尺寸、纯度高、晶形完整的单晶，加强其在军工、航天及窗口材料等领域的应用。

2.2.4 整体PcBN和高端PcBN、PCD

国内的整体PcBN已有产业化应用，但质量稳定性方面还有待提高，必须通过合理选用原材料、优化组装结构、细化生产工艺、自动化设备投入等途径，来提高和保证其质量稳定性。高端PcBN和PCD要重视大直径、细粒度带来的均匀性问题及质量稳定性问题，要进一步推动PcBN、PCD刀具替代陶瓷、高速钢、硬质合金等刀具的进程。

2.2.5 NPD

未来几年超硬行业应加大NPD的研发力度，重点关注NPD的理论研究和后期加工两个主要问题，在军工、航空航天等高端应用领域进行应用探索，进一步培育市场，推动高端NPD的产业化。

2.2.6 高端PDC和球齿PCD

PDC必须要走高端技术路线，加快研究，在产品生产阶段要严控次品率，确保质量稳定性。球齿类PCD在技术研发的同时需考虑应用方向，在扩大应用范围的同时，要重点攻克其在工程机械领域的应用。

2.3 开拓超硬制品应用新领域

2.3.1 超硬制品应进一步朝着精密加工领域发展

早在十年前，国务院就下发了国发〔2006〕8号文件，明确提出：“发展精密及超精密技术，提高机床的可靠性及精度保持技术。”将精密加工上升到了国家战略高度。精密加工必须从超硬行业开始，而目前国内一些高精度高精密金刚石工具，例如超薄切割片、超细粒度金刚石砂轮、高精度钻头等，与国外产品相比仍有较大差距。国内的生产单位要瞄准精密加工超硬制品这个方向来发展，要在生产过程中制定严格的产品标准和工艺规程，以确保产品的质量稳定性。同时要加大对高端设备的投入力度，从硬件设施上推动精密加工技术的发展。

2.3.2 手机背板陶瓷材料加工领域

在5G通信，无线充电及OLED的快速发展趋势下，陶瓷等非金属材料将逐步替代金属材料，成为主流背板产品。有资料表明，到2019年，全球电子陶瓷材料的市场空间预计达到240亿美元左右，我国的电子陶瓷市场规模将达到640亿元，因此，针对陶瓷背板材料的钻、磨类金刚石工具将会有较大的市场前景，行业人士要认真审视陶瓷背板的发展趋势，提前做好新产品的研发和战略布局。

2.3.3 人造石加工领域

人造石主要用在家庭橱柜、窗台等地方，目前国内人造石使用量有所增加，但整体容量较小，每年约1亿平方米。在未来，出于环保等因素，可能会限制天然石材开采，因此人造石的应用有加速发展的可能，针对人造石加工的金刚石工具也将随之增长。

2.3.4 扩大超硬制品在工程领域应用

除了金刚石球齿类产品应用在盾构机、路面铣刨机等领域外，要拓展超硬制品在工程施工领域的新应用，如扩大专业锯片在桥梁拆迁、建筑工程等场合的应用规模；加快金刚石绳锯在无损伤施工、沉船打捞等特殊领域的应用等。

2.3.5 寻找切入点，实现石墨烯产业与超硬行业相结合

石墨烯产业已被纳入国家战略布局，是一种前沿新材料。超硬材料行业要抓住石墨烯发展的良好机遇，将石墨烯的特殊性能与超硬材料、制品融合起来，这既能最大程度发挥石墨烯的性能，又能让超硬材料或制品取得较高的性价比。同时，还要把石墨烯产业与超硬材料行业的上下游应用完全有机融合，以此来更快推动超硬材料行业的发展。

2.4 加强超硬材料在功能应用方向开发

金刚石和cBN都具有卓越的特殊性能。如金刚石从深紫外到远红外全透明，可应用于巡航导弹红外探测器的窗口、激光窗口材料、透镜材料和光学保护涂层；cBN晶体在高温高功率宽带器件、微电子领域有着广泛的应用前景。加强金刚石和cBN功能性研究与应用，是行业未来可持续发展的重要途径和方向。

2.5 重视产品细节，提高精细化管理水平，加快自动化、智能化的推进速度

超硬材料行业已经普遍意识到了产品细节控制的重要性，并且部分厂家已经走在了产品细节控制的前列，特别是在自动化设备上以前所未有的力度进行投入。一些厂家的生产环境相当干净整洁，甚至达到了“医院式”的清洁水平，为产品的质量稳定打下了坚实的基础。

3 结束语

超硬材料行业要抓住国家经济转型升级的良好机遇，携手共进，务实拼搏，实现我国由超硬材料及制品大国向强国的转变：

(1) 加强基础性研究，主打创新战略，培养自己的民族品牌。重视超硬材料及制品的基础研究，提高其理论水平，是我国打破国外技术封锁、提高自主研发水平、由超硬材料大国迈向强国的核心内容和必由之路。行业人士要重视和解决这些问题，不断地开拓创新，提升产品质量和附加值，培育自己的民族品牌，在高端超硬制品领域抢占国际市场。

(2) 加强对超硬材料及制品研究投入的力度，实施合作攻关战略。超硬材料行业既要充分利用国家重点实验室、工程中心、技术创新平台等有利平台，实施产学研联合攻关，加大研发及产业化力度，也要加强超硬材料行业上下游之间产业链的合作，实施全方位、多层次的突破，来真正实现我国的超硬材料强国梦。

(3)加强宣传与资本运作，为行业发展创造有利氛围和筹集发展资金。超硬材料行业既要加强在资本市场的运作，通过资本投入来促进行业技术水平提高，又要利用各种渠道，加强对各级政府、协会和行业组织等的宣传，扩大超硬材料行业的影响力，为行业发展创造良好环境。

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Currentsituationandexpectationofthesuperhardmaterialindustrytechnology

LV Zhi, XIE Zhi-gang, LIN Feng, SU Yu, XIE De-long, CHEN Chao, PAN Xiao-yi, XIAO Le-yin, PENG Shao-bo, CHEN Jia-rong, QIN Jian-xin

(NationalSpecialMineralMaterialsEngineeringResearchCenter,GuangxiKeyLaboratoryofSuperhardMaterialsResearchandDevelopment,ChinaNonferrousMetal(Guilin)GeologyandMiningCo.,Ltd.,Guilin541004,China)

Recently the technological progress of the superhard material industry is remarkable, for example, the large size diamond single crystal, pressureless sintering in the tunnel kiln, multiwire saws, precision diamond tools, unitary PcBN, NPD etc. Other products also have stable technological progress. In the future the superhard material industry would enter a new relatively stable stage. The high-end products should be developed. The new application fields such as precision machining, mobile ceramic backboard, artificial stone, construction and graphene etc. should be enlarged. Meanwhile, the industry should research the function use, attach importance to product details and enhance quality control in the future. In order to realize the domestic superhard materials and products becoming powerful manufacturing, the basic research and innovation strategy should be reinforced, cooperation should be developed and propaganda should be strengthened.

superhard material industry; technology development; summarizing; current situation; expectation

2017-08-18

桂林市科学研究与技术开发计划项目(20150105-1)；广西区直科技型企业产业化项目(2013-1-20)

吕智(1956-)，男，博士，教授级高级工程师，长期从事超硬行业的研究与管理工作。

谢德龙(1984-)，男，博士，从事超硬材料及粉末冶金方向研究。E-mail：xiedelonghn@foxmail.com

吕 智，谢志刚，林 峰，等.超硬材料行业技术发展现状与展望[J].超硬材料工程，2017，29(5)：47-51.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0047-05