1.2　超硬材料的性能和应用

1.2.1　磨料及工具

超硬材料在目前所知的物质中硬度最高，具有极优异的力学性能，表1-1列出了金刚石和立方氮化硼主要的力学性能。因此超硬材料是优异的切削刀具、磨具材料和耐摩擦材料。超硬材料工具是以金刚石或立方氮化硼为切削材料，借助于结合剂或其他辅助材料制成的具有一定形状、性能及用途的制品，包括磨具、锯切工具、切削刀具、钻探工具、修整工具、拉丝模具等。超硬材料工具主要应用的是其极限硬度和高热导率。金刚石工具的加工对象为硬脆非金属材料及有色金属，包括玻璃、陶瓷、混凝土、石材、硬质合金、耐磨的硅铝合金等；而作为另外一类超硬材料的立方氮化硼的主要加工对象为高强高韧耐磨的黑色金属，如高速钢、耐热钢等。

与普通磨料（碳化硅和刚玉）相比，由超硬磨料（金刚石和立方氮化硼）制备的超硬工具，其加工质量以及加工效率都有极大幅度的提高，而且从磨料制造角度来看，可以节省能源、改善劳动条件、防止环境污染，并且便于实现生产过程的自动化。因此超硬磨料取代普通磨料是世界上磨料磨具行业发展的大趋势。

随着高品级金刚石和聚晶烧结体制造技术的日益完善，成本不断降低，金刚石切削刀具、钻探工具、锯切工具等各类工具的应用将日益广泛。超硬材料的耗用量成为工业发展水平的一个重要标志。超硬与超强、超精等新材料、新技术的发展互相适应，互相配合，形成了现代科学技术发展的新潮流。

1.2.2　金刚石功能材料

金刚石不仅具有优异的机械性能，同时具有独特的光学、热学、电磁学性能，因此作为功能材料，在科学技术上的应用还有很大潜力。特别是大单晶金刚石与金刚石薄膜的研究和开发，为金刚石功能材料的应用提供了基础，因此21世纪被认为是金刚石的时代。

表1-2为金刚石的主要物理性能[6]。金刚石具有优异的电学性能和热学性能，低的介电常数使其成为理想的微波介质材料；宽禁带、高载流子迁移率，高热导率，高的击穿电压，使金刚石可制成在900K以下能正常工作的耐高温半导体器件、大功率晶体管和半导体温度计等；另外金刚石作为耐强辐射材料，可在宇航飞船和原子能反应堆等强辐射环境中正常工作，因此金刚石是极其优异的半导体材料。其在半导体中的应用，可引发电子技术领域的革命。

金刚石热导率高、热容小，尤其是高温时的散热效能更为显著，热量无法积累，是散热极好的热沉积材料，金刚石膜的热导率现今已基本上接近天然金刚石的热导率。同时由于金刚石电阻率高，可作为集成电路基片和绝缘层以及固体激光器的导热绝缘层。近几年来，高导热金刚石薄膜制备技术的发展，使金刚石热沉积材料在大功率激光器、微波器件和集成电路上的应用变成现实。

金刚石在从紫外到远红外整个波段都具有高的透过率，是大功率红外激光器和探测器的理想窗口材料；其折射率高，可作为太阳能电池的反射膜；其高透射率、高热导率、优良的力学性能、发光性能和化学惰性，使其成为光学上的最佳应用材料，诸如各种光学透镜的保护膜，如飞机和导弹在超声速飞行时，头部锥形的雷达无法承受高温，且难以耐高速雨点和尘埃的撞击，用金刚石膜来制作雷达罩，不仅散热快，耐磨性好，还可以解决雷达罩在高速飞行中同时承受高温的聚变问题。美国已制成φ150mm、厚度2～3mm的金刚石导弹头罩。

另外，金刚石还具有良好的化学性能，能耐各种温度下的非氧化性酸。其化学组成为碳，无毒，与血液和其他流体不起反应，因此它又是理想的医学生物体植入材料，可以做心脏瓣膜。就现今已知的材料而言，金刚石能集如此多的优异性能于一身，这正是科技工作者所期望的，而且这也正是吸引如此众多的跨学科的科技工作者投入研究的缘由。

图1-1总结了金刚石的主要性能和应用[7]。