顾名思义，超硬材料是硬度极高的材料。通常来说，金刚石的硬度最高，莫氏硬度为10，cBN的硬度稍次于金刚石，所以超硬材料通常是指金刚石和cBN，或由这两种材料为主要成分分别制成的复合材料。

作为“工业牙齿”应用的四类硬质材料，刚玉、SiC、硬质合金、高速钢的硬度，远低于金刚石和cBN的硬度，因此超硬材料又被称为最硬最锋利的“工业牙齿”或“材料之王”。

超硬材料的结构与性能

1 金刚石的结构与性能

同其他碳材料一样，金刚石的主要化学元素组成是碳。无论是天然金刚石，还是人造金刚石，但无论哪种金刚石都会含有或多或少的杂质。金刚石一般都含有氮杂质，根据金刚石晶体内氮元素含量的差异，金刚石可以分为两种类型，分别为Ⅰ型金刚石和Ⅱ型金刚石。

金刚石的分类

金刚石的杂化轨道电子云分布、原子结构和晶胞结构

近年来，碳材料是一类非常具有研究热点的材料。21世纪也被称为“碳时代”。碳材料以其优异出众的性能被广泛应用于各个领域，尤其是在国家战略性新兴产业中的应用，石墨烯及碳纳米材料、碳纤维及其复合材料、金刚石、碳基薄膜和传统碳材料（炭 黑、多孔碳、石墨、特种石墨等）在锂电、电容器、储能、光伏、半导体、光电显示、５Ｇ通讯、传感器、通用航空、未来交通、高端装备等领域应用前景广阔。

2 cBN的结构与性能

立方氮化硼（cBN）是第二大品种的超硬材料。氮化硼的化学结构式是BN，由硼元素和氮元素两种元素组成。氮化硼具有四种不同的晶体结构，主要有六方氮化硼（hBN）、立方氮化硼（cBN）、菱方氮化硼 （rBN）和密集六方氮化硼（wBN）。其中hBN和rBN中氮原子和硼原子以SP2方式杂化，而cBN和wBN中氮原子和硼原子以SP3方式杂化。

某公司几种不同牌号的cBN单晶

（来源于该企业网站）

cBN的硬度略低于金刚石，颜色多样，晶体颜色与所含杂质种类、数量有关。cBN具有独特的光电特性，合成大尺寸、高质量 cBN单晶是获得功能器件应用的必然选择，可是cBN晶体的大尺寸化远没有金刚石做得成功，这也许是因为合成大颗粒cBN的条件更苛刻，其应用也没有找到合适领域的缘故。

超硬材料的应用

超硬材料制品的主要品种

超硬材料及其制品工具在工业中已经获得广泛应用，不仅解决了用传统工具无法加工或难以加工的难题，还明显提高了传统加工效率，明显降低消耗及废物排放。

几种超硬材料制品及工具

（a.刀片；b.砂轮；c.锯片；d.钻头）

超硬材料制品及工具主要品种有锯切工具、 磨具（包括固结磨具、涂附磨具和松散磨具）、切削刀具、钻探工具、修整工具、拉丝模具、其他工具及不同的功能元器件。

天然钻石和人造钻石

（1）天然钻石

采用天然金刚石得到的钻石称天然钻石。天然钻石璀璨、华丽、稀有、珍贵，被人们视为珍爱之物。有一句广告语“钻石恒久远，一颗永流传”在我国妇孺皆知。

天然金刚石除用作为饰品以外，更多的是工业应用。金刚石的工业用途长期以来是利用其特别高的硬度，切割玻璃的金刚石刀使我们联想到采用金刚石来制备钻头用于地质勘探和石油、煤炭开采。金刚石在高温下会与氧发生不同程度的氧化反应，特别是与铁亲和性好，不适合用于黑色金属加工。

（2）人造钻石

人造钻石，行业内又常称为实验室合成钻石，或培育钻石。大颗粒或大单晶的人造金刚石已经用于加工合成钻石饰品。

人造钻石也是货真价实的钻石，成分、结构与天然钻石完全相同。两者只能通过非常特殊的方式区分，比如在阴极发光仪下，前者的生长纹理呈几何状，而后者呈环带状。从2006年开始，GIA等珠宝机构开始提供鉴定服务并发放证书，主要为了防止商家用价格较低的合成钻石冒充天然钻石销售。

过去，钻石行业的研究人员一直在寻找高效合成人造钻石的方法，但一直未有突破性进展，其两大主要障碍来自于成本和生产两方面的因素。经过数十年的研究，现在静态触媒条件下超高压高温法合成金刚石大单晶技术已经成熟。

我国在超高压高温法合成的人造钻石大单晶，以及采用微波等离子体CVD法合成人造钻石的技术开发和应用方面都取得了快速的发展，已经有合成钻石饰品在市场上销售，并初具市场规模。

cBN的主要应用

 cBN与金刚石相比有独有的优点，如高热稳定性，与铁族系元素化学惰性。cBN的用途目前主要有两个方面，一是制造磨具，二是制成聚晶立方氮化硼用作刀具材料。因此，cBN加工黑色金属材料有独到之处，为硬而韧的难加工铁基材料提供了新的加工工具。

 cBN的主要应用如下：

（1）用作磨具材料。既能用于铁基材料的加工，也能用于非铁金属材料的加工。

（2）用作刀具材料。用于刀具的一般是聚晶立方氮化硼，PcBN是由cBN单晶制备的微粉，通过添加碳化钛、钴等粘接剂，再用六面顶压机经高压高温烧结制得的。对铁族金属及其合金的加工特别有效，特别适合于高速切削和干式切削，并实现了以车代磨， 以铣代磨，大幅度提高了生产效率。

（3）用作功能材料。高导热性cBN可以应用在光电功能器件上。

 超硬材料是众多不同材料中的一个小品种，但它却是一种不可替代材料，并将可能逐步部分代替其他一些材料。