大顆粒立方氮化硼研究與展望

立方氮化硼（CBN）是目前已知的硬度僅次于金剛石（莫氏硬度10）的超硬材料，CBN的莫氏硬度9.7，原子結(jié)構(gòu)與金剛石中的碳原子結(jié)構(gòu)類似，具有高密度和高硬度等優(yōu)異特性。同樣作為超硬材料，CBN的研究進(jìn)展卻遠(yuǎn)不及金剛石，在精密加工、第三代半導(dǎo)體、光譜器件等領(lǐng)域發(fā)展受限。因此，發(fā)展大顆粒CBN單晶生產(chǎn)技術(shù)是重要方向。

CBN又被稱為工業(yè)的牙齒，具有比金剛石更加優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，良好的高溫紅硬性和抗氧化能力，能夠在1300℃下與鐵族元素不發(fā)生反應(yīng)，尤其適合加工淬火鋼等黑色金屬。CBN還具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱特性，很寬的能帶間隙（Eg>6.2eV），以及很低的介電常數(shù)，是一種新型半導(dǎo)體材料，可以用于光學(xué)和量子計(jì)算領(lǐng)域。CBN的種種特性使得其在越來(lái)越多的領(lǐng)域有了更多更大的可能性。

目前CBN的工業(yè)批量合成方法是高溫高壓法，將六方氮化硼（HBN）與觸媒混合，HBN在特定的高溫高壓條件下遵從相變機(jī)理轉(zhuǎn)化為CBN單晶。在該方法中，觸媒的加入可以很大程度上降低HBN向CBN轉(zhuǎn)變所需的溫度和壓力，通過(guò)使用不同的觸媒種類和添加劑，以及改變合成所需的工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CBN產(chǎn)量、粒度、色澤、形貌等方面的控制。觸媒主要選用堿金屬、堿土金屬及其氮化物和氮硼化物，較為常用的是Li基觸媒。Li基觸媒合成的CBN單晶透度較好，內(nèi)部晶格缺陷少，晶體強(qiáng)度高，粒度較大。

高溫高壓觸媒法中包括晶種溫度梯度法，該方法是將一些小尺寸的CBN單晶置于HBN和觸媒的混合體中充當(dāng)晶種，CBN晶種位于合成腔體的低溫區(qū)。在高溫高壓的環(huán)境下，由于合成腔體內(nèi)部存在一定的溫度梯度，由HBN 轉(zhuǎn)變的CBN會(huì)到達(dá)低溫區(qū)，隨后在晶種表面沉積并生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)大尺寸CBN 單晶的合成制備。溫度梯度法合成的CBN 單晶質(zhì)量較好、尺寸較大，且單晶合成過(guò)程可以控制，但也存在合成所需時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)量低、對(duì)合成條件要求高等缺點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)科研人員曾采用溫度梯度法也成功合成出了粗顆粒的CBN 單晶，通過(guò)晶種-溫度梯度法，在合成壓力為6.0 GPa，溫度為1100℃的條件下，耗時(shí)3小時(shí)合成出了0.5mm的CBN 單晶。之后也有許多科研人員在此基礎(chǔ)上嘗試合成大顆粒CBN單晶，并對(duì)制備技術(shù)進(jìn)行分析研究。通過(guò)對(duì)各學(xué)者研究?jī)?nèi)容的解析，CBN單晶粒度的主要影響因素有合成壓力、合成溫度、合成時(shí)間，以及觸媒。值得思考的是若要制備大顆粒晶體，合成壓力與合成溫度并非越高越好。有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，合成時(shí)間分別為15分鐘、30分鐘、60分鐘，粒度逐步增加，但是增加幅度很小，產(chǎn)量逐步增加且增幅明顯。合成時(shí)間對(duì)產(chǎn)量的影響較大，對(duì)粒度的影響很小。觸媒的影響較為復(fù)雜，為生產(chǎn)大顆粒高品質(zhì)CBN單晶，已形成多種觸媒體系，乃至多元觸媒體系。

國(guó)內(nèi)對(duì)于CBN的研究起步較晚，雖然已經(jīng)發(fā)展成為CBN產(chǎn)能大國(guó)，但在高品級(jí)大顆粒CBN單晶生產(chǎn)制備技術(shù)方面仍然與國(guó)外有著較大差距。最大量產(chǎn)粒度在300μm級(jí)別，距離毫米級(jí)別還有很大距離，無(wú)法滿足半導(dǎo)體與光學(xué)器件的要求，限制了CBN在汽車、數(shù)控、電子等領(lǐng)域的應(yīng)用。CBN生產(chǎn)制備技術(shù)還需盡快發(fā)展。

大顆粒CBN單晶研究應(yīng)用前景廣闊，同時(shí)磨料級(jí)CBN單晶現(xiàn)在也在磨削等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。信陽(yáng)市德隆超硬材料有限公司公司是一家從事CBN單晶研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的高新技術(shù)企業(yè)，現(xiàn)有DL-8500牌號(hào)亮黑色CBN單晶和DL-7800牌號(hào)琥珀色CBN單晶，涵蓋70/80至325/400全粒度號(hào)產(chǎn)品，歡迎聯(lián)系合作。