超硬材料行業技術發展現狀與展望*

呂 智，謝志剛，林 峰，蘇 鈺，謝德龍，陳 超，潘曉毅，肖樂銀，彭少波，陳家榮，秦建新

(國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西超硬材料重點實驗室,中國有色桂林礦產地質研究院，桂林 541004)

超硬材料行業技術發展現狀與展望*

呂 智，謝志剛，林 峰，蘇 鈺，謝德龍，陳 超，潘曉毅，肖樂銀，彭少波，陳家榮，秦建新

(國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西超硬材料重點實驗室,中國有色桂林礦產地質研究院，桂林 541004)

最近幾年，超硬材料行業技術進步可圈可點，如金剛石大單晶、隧道窖無壓燒結技術、組鋸、精密加工金剛石工具、整體PcBN、NPD等，其它產品也穩中有進。未來超硬材料行業將進入穩定發展格局，既要發展高端制品，又要開拓超硬制品應用新領域，擴大在精密加工、手機背板陶瓷材料、人造石、工程機械、石墨烯等領域的應用，同時要增強超硬材料在功能應用方向開發并重視產品細節，加強質量控制。整個行業要加強基礎性研究和實施創新戰略，并要聯合攻關，加強運作和宣傳，以實現我國超硬材料及制品由大國向強國的轉變。

超硬材料行業；技術發展；綜述；現狀；展望

我國已由超硬材料生產大國逐步進入了強國行列。主要特征是；六面頂壓機全面取代兩面頂成為世界主流合成設備，產品系列已基本滿足使用要求，綜合性能指標與國外已無實質性差異。但制品總體上仍處于生產大國，不是強國[1-2]。主要特征是；高端制品仍大量進口，價格居高，許多核心技術仍由國外掌控，國內原創技術不多。但國內近幾年來也有許多技術進步可圈可點，與國外的差距有所縮小，部分產品已全面取代進口。

1 超硬材料行業技術發展現狀

1.1 超硬材料

1.1.1 金剛石大單晶和cBN取得突破性進展

近幾年，金剛石大單晶合成技術已成熟[3]，2～3mm尺寸的無色透明大單晶(白鉆)已大批量生產，4～5mm的單晶也能量產，但限于市場因素和客戶的心理接受程度，其市場規模仍較小。更大尺寸的單晶已開展實驗工作，合成技術尚不成熟。目前行業約有2500～3000臺壓機用于金剛石大單晶的合成。行業內已有快速鑒定天然與合成鉆石的設備，約為20萬/臺，預計很快投向市場。國內的大單晶主要銷往印度，目前，0.3～0.5ct的單晶銷量最好，大部分采用現金交易。大單晶主要用于錢包、手表、皮帶等的裝飾，價格近年來下跌較快，目前已接近成本水平。

我國的cBN單晶產品系列化取得重大進展，產品性能達到國際先進水平，大量出口，全球市場占有率已處絕對優勢。大尺寸cBN單晶的研究也取得一定的進展，完整晶形達到1mm以上的大尺寸單晶已能合成，更大尺寸的cBN單晶也正在研發中。

1.1.2 PCD正縮小與國外產品差距

最近幾年國內的PCD合成技術發展很快，正在縮小與國外產品的差距。10μm以上中粗粒度產品與國外差距不大，基本處于同一水平。5μm以下細粒度產品與國外產品水平差距較大，尤其是在質量穩定性方面。1～2μm及以下的PCD片國內也能生產，但成品率低、穩定性差。另外，國外PCD片最大直徑超過了100mm，主流產品尺寸為60～80mm，而國內最大尺寸只能做到60mm左右。高端PCD復合片目前市場上仍以元素六、DI、住友等公司為主。

1.1.3 整體PcBN大量推向市場

目前，添加一定比例粘結劑、去襯底的整體式PcBN已成功應用于金屬的粗加工，其合成條件低，燒結溫度約為1300℃～1500℃，壓力在4～5GPa左右。去襯底化、無結合劑化的PCD/PcBN是今后的發展趨勢。

1.1.4 石油鉆井用PDC與國外的差距進一步縮小

國內石油鉆井用PDC的產品質量已達到國外同類產品水平，性能相差不大，差距主要體現在質量穩定性方面。價格約為國外產品的80%。

1.1.5 NPD國內研發成功，正在進行產業化測試

目前，國外的NPD產品已達到厘米級，正逐漸向商業化邁進。國內在NPD方面的研發較晚，目前僅有四川大學、燕山大學、河南工業大學等單位在開展相關的研究工作，有資料表明Φ6×6mmNPD已研發成功，能小批量測試，厘米級的NPD研發已在進行。NPD的合成條件要求較高，壓力在15GPa左右，溫度要達到2000℃，合成時間在8小時以上。受制于生產成本高等因素，尚未產業化應用[4]。

1.1.6 CVD金剛石

CVD金剛石在工具及功能材料中的應用進展不大。工具應用方面其市場容量小，國內整個行業產值不超過5000萬元。在功能材料方面，CVD金剛石只在一些特殊場合，如紅外窗口、光刻機等方面有應用。CVD的真正優勢是應用在功能材料方向，超硬材料行業要加快CVD金剛石生長技術研究及其產業化進程，促進CVD金剛石在功能材料領域的快速發展。

1.1.7 球齒

最近幾年，國內球齒研發雖有一定的進展，但沒有取得突破性應用[5]。球齒的應用實驗成本高，投入大，短期內還難以進入盾構機等主要工程應用領域。

在應用方面，有資料表明：在國外，球齒在石油沖擊鉆頭上有應用，占油氣井鉆頭產值的10%。國內也有相應的報道，如某公司生產的球齒已經出口歐美市場，年出口量約為2000萬元，主要應用在石油鉆頭的非主要部位。

1.2 超硬材料制品及技術

1.2.1 隧道窖無壓燒結技術有重要突破

近兩三年，隧道窖無壓燒結技術取得了重要突破，國內已有廠家利用該技術大規模生產金剛石鋸片刀頭。隧道窖無壓燒結技術能以數量級幅度降低生產成本，提高生產效率，并且有利于自動化生產。目前該技術還有一定的局限性，但整體上看，隧道窖無壓燒結技術在超硬材料工具制造方面將會得到進一步推廣應用。

1.2.2 組鋸機與組鋸繩成功推向市場

目前組鋸繩規格為Φ(6～7)mm，以切割大型花崗巖為主。組鋸機以28條/組和56條/組為主，正在開發72條/組的組鋸機。由于組鋸對設備精度要求很高[6-7]，特別是對各條繩鋸的質量穩定性和工作一致性有苛刻的要求，導致組鋸尚未大規模應用。

組鋸技術研發成功，是對大板切割工藝的一項重要創新，標志著我國金剛石繩鋸全面進入世界先進水平。

1.2.3 金剛石玻璃磨邊輪和打孔鉆具有國際市場定價權

玻璃加工用青銅基磨邊輪和打孔鉆[8]，國內產品性能達到國際領先水平，特別是在加工效率方面已遠超國外同類產品。國內磨邊輪的正常加工效率為12～15m/min，是相同加工條件下國外產品的3～4倍。國內該產品具有國際市場定價權。

樹脂基磨邊輪，國內產品與國外的相比尚有一定的差距，主要體現在：大面積接觸加工時產品的質量穩定性尚待提高。整體而言，這種差距明顯在縮小。

1.2.4 電鍍金剛石線鋸成功應用于多晶硅切片

2016年下半年，多晶硅切片的后續工藝——黑硅技術已成熟并實現了產業化，解決了金剛石線切割多晶硅片時降低光電轉化率的瓶頸問題，為金剛石線在多晶硅切片領域的應用打開了市場。

目前，單晶硅和多晶硅的市場比大概為3∶7，隨著黑硅技術的突破及線鋸技術水平的提高，預計金剛石線在多晶硅切片市場將迎來爆發式增長。以目前的0.2元/米的價格估算，預計全球年消耗量會達到100億元。線鋸的發展前景良好。

1.2.5 cBN砂輪進入相對平衡發展階段

國內cBN砂輪進入相對平衡發展階段，技術穩定性有明顯提高，許多產品與國外產品處于同一水平。特別在高速磨削方面，150～200m/s以上產品在質量上已接近進口產品水平。由于進口設備的原因，在發動機部件加工上，仍以進口產品為主，國內產品主要用于配件加工。在價格上，國內產品價格約為進口產品的70%～80%。最近幾年國內市場競爭激烈，導致cBN砂輪價格下跌，產品利潤下降。

1.2.6 金剛石鋸片

最近幾年專業片技術進步明顯，壽命已經達到了3萬～4.5萬m2/片，與5年前的使用壽命相比翻倍提高，并且效率也在同步提高。我國的專業片主要出口北美市場，近年歐洲市場增加很快。部分廠家的技術與國外處于相同水平，并且領先于韓國等部分國家。通用鋸片的價格已經接近成本水平，市場競爭激烈。部分廠家已將生產基地設在泰國、越南等地，以降低生產成本。

金剛石鋸片必須持續不斷的進行技術創新，并且在產品細節、工藝等方面有持續的改進，才能在殘酷的市場競爭中占據一席之地。

1.2.7 釬焊金剛石工具

當前，單層釬焊技術已基本成熟[9]，并且有產業化應用和生產。單層釬焊金剛石工具加工條件要求高，使用范圍窄，因此產量不高，只能作為特殊用途的一種補充。多層釬焊金剛石工具的制備技術已成形，但修整困難，嚴重制約了其產業化應用和推廣。

1.2.8 陶瓷加工金剛石工具

陶瓷加工用金剛石工具全球市場容量約50億元人民幣。目前中國占全球市場的90%以上，產品種類方面已全部覆蓋。釉磚由于制作方式與普通陶瓷磚不同，花紋多樣，拋光時光亮度高，多采用彈性磨塊干式加工。近年來在干式加工和綠色加工方面取得進展。

1.2.9 精密加工工具取得重要進展

精密加工工具是附加值很高的產品，近幾年取得較大進展，如超薄切割片、玻璃加工刀輪、超高速高性能cBN砂輪等。國內個別公司的PcBN精密刀具早已進入整車市場，用于手機背板加工的PCD刀具也有重大突破。

2 超硬材料行業技術發展展望

2.1 行業發展將進入相對穩定格局

超硬行業將進入相對穩定的發展局面，各企業獨特的產品優勢將更加明顯，行業分工會進一步細化。在這個過程中，每個企業將會找準自己的定位，做出特色、做出優勢，并避免盲目的惡性競爭，促進行業健康發展。

2.2 發展高端制品，推動我國超硬制品產業向世界強國邁進

我國的高端超硬制品，如精密加工工具、專業鋸片、高速砂輪、細粒度低含量PcBN等，與國外同類產品相比仍有較大差距。努力提高我國超硬材料及制品的技術水平，發展高端制品，已成為迫在眉睫的事。行業人士應重點選擇一些更有發展前景或有望得到快速應用的新產品新技術進行開發。

2.2.1 金剛石線鋸

2016年下半年，線鋸切割多晶硅的核心技術實現突破，金剛石線鋸將全面應用于多晶硅切片領域。發展金剛石長線鋸等高端制品，將會促進我國光伏及相關產業的快速發展，對于中國的經濟發展具有重要意義。

另外，金剛石線鋸也可應用于石墨，貴重金屬，晶體，陶瓷、磁性材料等的切割。研發針對不同形狀、不同材質的高端金剛石線，開發多線、網面切或曲面切等加工方式，是未來超硬制品發展的一個重要方向。

2.2.2 隧道窖無壓燒結技術

利用隧道窖無壓燒結技術制備的刀頭在使用性能上已達到熱壓燒結同類產品的水平。展現出了極好的發展前景和市場價值。目前，國內只有部分較大規模廠家才具備相應的設備及配套技術。但隨著技術的進步，隧道窖無壓燒結技術必將會有更廣泛的應用，在自動化、智能化方面將會有重大突破。

2.2.3 人造金剛石大單晶刀具及功能材料

大單晶刀具適合對表面粗糙度、幾何形狀精度和尺寸精度有較高要求的精密加工領域，可作為特定加工場合的輔助和補充。隨著國內大單晶的突破，取代天然單晶刀具是大概率事件。

另外，金剛石大單晶具有熱學、光學、電學、聲學等方面的優異性能，越是在強酸、強堿、強輻射等極端惡劣條件下，金剛石大單晶的性能就體現得越發明顯和突出。因此，要重點開發大尺寸、純度高、晶形完整的單晶，加強其在軍工、航天及窗口材料等領域的應用。

2.2.4 整體PcBN和高端PcBN、PCD

國內的整體PcBN已有產業化應用，但質量穩定性方面還有待提高，必須通過合理選用原材料、優化組裝結構、細化生產工藝、自動化設備投入等途徑，來提高和保證其質量穩定性。高端PcBN和PCD要重視大直徑、細粒度帶來的均勻性問題及質量穩定性問題，要進一步推動PcBN、PCD刀具替代陶瓷、高速鋼、硬質合金等刀具的進程。

2.2.5 NPD

未來幾年超硬行業應加大NPD的研發力度，重點關注NPD的理論研究和后期加工兩個主要問題，在軍工、航空航天等高端應用領域進行應用探索，進一步培育市場，推動高端NPD的產業化。

2.2.6 高端PDC和球齒PCD

PDC必須要走高端技術路線，加快研究，在產品生產階段要嚴控次品率，確保質量穩定性。球齒類PCD在技術研發的同時需考慮應用方向，在擴大應用范圍的同時，要重點攻克其在工程機械領域的應用。

2.3 開拓超硬制品應用新領域

2.3.1 超硬制品應進一步朝著精密加工領域發展

早在十年前，國務院就下發了國發〔2006〕8號文件，明確提出：“發展精密及超精密技術，提高機床的可靠性及精度保持技術。”將精密加工上升到了國家戰略高度。精密加工必須從超硬行業開始，而目前國內一些高精度高精密金剛石工具，例如超薄切割片、超細粒度金剛石砂輪、高精度鉆頭等，與國外產品相比仍有較大差距。國內的生產單位要瞄準精密加工超硬制品這個方向來發展，要在生產過程中制定嚴格的產品標準和工藝規程，以確保產品的質量穩定性。同時要加大對高端設備的投入力度，從硬件設施上推動精密加工技術的發展。

2.3.2 手機背板陶瓷材料加工領域

在5G通信，無線充電及OLED的快速發展趨勢下，陶瓷等非金屬材料將逐步替代金屬材料，成為主流背板產品。有資料表明，到2019年，全球電子陶瓷材料的市場空間預計達到240億美元左右，我國的電子陶瓷市場規模將達到640億元，因此，針對陶瓷背板材料的鉆、磨類金剛石工具將會有較大的市場前景，行業人士要認真審視陶瓷背板的發展趨勢，提前做好新產品的研發和戰略布局。

2.3.3 人造石加工領域

人造石主要用在家庭櫥柜、窗臺等地方，目前國內人造石使用量有所增加，但整體容量較小，每年約1億平方米。在未來，出于環保等因素，可能會限制天然石材開采，因此人造石的應用有加速發展的可能，針對人造石加工的金剛石工具也將隨之增長。

2.3.4 擴大超硬制品在工程領域應用

除了金剛石球齒類產品應用在盾構機、路面銑刨機等領域外，要拓展超硬制品在工程施工領域的新應用，如擴大專業鋸片在橋梁拆遷、建筑工程等場合的應用規模；加快金剛石繩鋸在無損傷施工、沉船打撈等特殊領域的應用等。

2.3.5 尋找切入點，實現石墨烯產業與超硬行業相結合

石墨烯產業已被納入國家戰略布局，是一種前沿新材料。超硬材料行業要抓住石墨烯發展的良好機遇，將石墨烯的特殊性能與超硬材料、制品融合起來，這既能最大程度發揮石墨烯的性能，又能讓超硬材料或制品取得較高的性價比。同時，還要把石墨烯產業與超硬材料行業的上下游應用完全有機融合，以此來更快推動超硬材料行業的發展。

2.4 加強超硬材料在功能應用方向開發

金剛石和cBN都具有卓越的特殊性能。如金剛石從深紫外到遠紅外全透明，可應用于巡航導彈紅外探測器的窗口、激光窗口材料、透鏡材料和光學保護涂層；cBN晶體在高溫高功率寬帶器件、微電子領域有著廣泛的應用前景。加強金剛石和cBN功能性研究與應用，是行業未來可持續發展的重要途徑和方向。

2.5 重視產品細節，提高精細化管理水平，加快自動化、智能化的推進速度

超硬材料行業已經普遍意識到了產品細節控制的重要性，并且部分廠家已經走在了產品細節控制的前列，特別是在自動化設備上以前所未有的力度進行投入。一些廠家的生產環境相當干凈整潔，甚至達到了“醫院式”的清潔水平，為產品的質量穩定打下了堅實的基礎。

3 結束語

超硬材料行業要抓住國家經濟轉型升級的良好機遇，攜手共進，務實拼搏，實現我國由超硬材料及制品大國向強國的轉變：

(1) 加強基礎性研究，主打創新戰略，培養自己的民族品牌。重視超硬材料及制品的基礎研究，提高其理論水平，是我國打破國外技術封鎖、提高自主研發水平、由超硬材料大國邁向強國的核心內容和必由之路。行業人士要重視和解決這些問題，不斷地開拓創新，提升產品質量和附加值，培育自己的民族品牌，在高端超硬制品領域搶占國際市場。

(2) 加強對超硬材料及制品研究投入的力度，實施合作攻關戰略。超硬材料行業既要充分利用國家重點實驗室、工程中心、技術創新平臺等有利平臺，實施產學研聯合攻關，加大研發及產業化力度，也要加強超硬材料行業上下游之間產業鏈的合作，實施全方位、多層次的突破，來真正實現我國的超硬材料強國夢。

(3)加強宣傳與資本運作，為行業發展創造有利氛圍和籌集發展資金。超硬材料行業既要加強在資本市場的運作，通過資本投入來促進行業技術水平提高，又要利用各種渠道，加強對各級政府、協會和行業組織等的宣傳，擴大超硬材料行業的影響力，為行業發展創造良好環境。

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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

桂林市科學研究與技術開發計劃項目(20150105-1)；廣西區直科技型企業產業化項目(2013-1-20)

呂智(1956-)，男，博士，教授級高級工程師，長期從事超硬行業的研究與管理工作。

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

呂 智，謝志剛，林 峰，等.超硬材料行業技術發展現狀與展望[J].超硬材料工程，2017，29(5)：47-51.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0047-05