金剛石是世界上最硬的材料，立方氮化硼（CBN）的硬度僅次于金剛石。CBN晶體中氮原子與硼原子以SP3方式雜化形成CBN，類似金剛石結(jié)構(gòu)。金剛石和CBN統(tǒng)稱為超硬材料。超硬材料廣泛應(yīng)用于鋸切工具、磨削工具、鉆進(jìn)工具和切削刀具。金剛石高溫容易氧化，特別是與鐵系元素親和性好，不適合用于鐵系元素黑色金屬加工。CBN是20世紀(jì)50年代最先由美國通用電氣（GE）公司人工合成得到，70年代初制成聚晶PCBN刀具。我國20世紀(jì)70年代首次合成出CBN后，經(jīng)歷了20多年的徘徊發(fā)展，到20世紀(jì)90年代，CBN的生產(chǎn)及應(yīng)用進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，特別是近幾年發(fā)展更為迅速。我國生產(chǎn)的CBN單晶除滿足快速發(fā)展的內(nèi)市場外，還大量出口國外。

聚晶立方氮化硼（Polycryst-allinecubic Boron Nitride，PCBN）是由CBN單晶添加黏結(jié)劑或不加任何黏結(jié)劑，經(jīng)高溫高壓燒結(jié)制得的?；诰劬Я⒎降鸩牧虾偷毒咴诂F(xiàn)代制造業(yè)中的重要作用，于2010年設(shè)立的“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(xiàng)中明確提出：要研究超硬材料刀具系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)；進(jìn)行高精度成形刀具研發(fā)；建立切削試驗(yàn)裝置，針對用戶材料及加工工藝需求，開展切削試驗(yàn)，建立切削數(shù)據(jù)庫等，最終研制開發(fā)出適用于加工航空航天鈦合金、高溫合金材料的高效切削用超硬材料刀具系列產(chǎn)品。本文主要介紹了CBN和PCBN的合成制備、性能和應(yīng)用。

目前，CBN單晶的合成主要是由靜態(tài)高壓觸媒法合成，通常以六方氮化硼（hBN）和不同的觸媒為原料，在高溫（1400～1800℃）和高壓（4～8GPa）下合成CBN單晶粉，顏色多為黑色或琥珀色。國內(nèi)最早合成的CBN采用金屬鎂作為觸媒，后來主要采用金屬氮硼化物。用氮硼化物合成的CBN顏色淺，多為淡黃色、琥珀色或無色透明晶體，晶形完整、晶面光滑、單顆?？箟簭?qiáng)度較高。為使合成條件降低，吉曉瑞等采用化學(xué)反應(yīng)直接成核生長CBN，可以實(shí)現(xiàn)在較低的溫度和壓力下合成CBN。

最近幾年發(fā)展起來的激光誘導(dǎo)等離子體法，主要用于研究亞穩(wěn)相納米晶CBN。為滿足對粗粒度CBN的高增長需求，張相法等研究了高品級(jí)粗顆粒立方氮化硼的合成技術(shù)，通過對原材料、觸媒及合成工藝諸方面的系統(tǒng)分析，采用?40ｍｍ腔體進(jìn)行粗粒度CBN合成，30～60粒度完整晶形單晶所占比例接近70％。

CBN的主要性能如下：具有高的硬度和熱穩(wěn)定性，顯微硬度僅次于人造金剛石；其熱穩(wěn)定性優(yōu)于人造金剛石，在高溫下仍能保持足夠高的力學(xué)性能和硬度，具有很好的紅硬性；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有高的抗氧化能力，化學(xué)穩(wěn)定性好，與金剛石相比尤其好，在高達(dá)1200～1300℃的溫度下也不與鐵族元素起化學(xué)反應(yīng)，因此特別適合于加工黑色金屬材料；導(dǎo)熱系數(shù)比金剛石小，但比硬質(zhì)合金高，具有良好的導(dǎo)熱性；抗彎強(qiáng)度高；作為磨具材料，使用壽命長、耐磨性好。但是，單晶立方氮化硼晶粒尺寸小，各向異性，存在容易劈裂的解理面，脆性大，極容易發(fā)生解理破損。

采用合適粒度的CBN單晶粉，在有無黏結(jié)劑的情況下，經(jīng)高溫（1500～2000℃）和高壓（5～9GPa）燒結(jié)成聚晶立方氮化硼。合成PCBN用CBN原料的晶粒尺寸及凈化處理、真空除氧、粒度、黏結(jié)劑的化學(xué)成分及配比，以及合成的溫度、壓力、組裝方式等合成工藝條件，都對PCBN的性能和產(chǎn)品品質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。謝輝等研究了CBN含量對PCBN復(fù)合片性能的影響，發(fā)現(xiàn)以TiN和Al為黏結(jié)劑，隨著CBN含量的增加，PCBN復(fù)合片電阻率增大、硬度增大。

為了加強(qiáng)CBN晶粒間的鍵接，合成PCBN通常加入一定比例的黏結(jié)劑，金屬及其合金組成的金屬基黏結(jié)劑能對提高PCBN的韌性起到良好的作用，但高溫下黏結(jié)劑容易軟化，對耐磨性不利；而陶瓷作為黏結(jié)劑，雖能解決高溫下的軟化問題，但PCBN抗沖擊性能差、壽命短?，F(xiàn)在多采用陶瓷與金屬或金屬合金組成的混合型黏結(jié)劑。黏結(jié)劑的選用最終對PCBN的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重要影響。黏結(jié)劑應(yīng)有較高的熱穩(wěn)定性，與氮或硼元素有強(qiáng)烈的化學(xué)親和特性，而在高溫時(shí)又不能與被加工對象材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；當(dāng)黏結(jié)劑含量較高時(shí)，黏結(jié)劑更應(yīng)具有較高的硬度和韌性。

以Si₄N₃晶須為輔助黏結(jié)劑合成PCBN時(shí)，Si₄N₃晶須在PCBN復(fù)合片中以板條狀存在，起到鏈接CBN的橋梁作用，在一定程度上提高了PCBN的強(qiáng)度和斷裂韌性。

PCBN具有CBN的大部分性能，克服了CBN單晶晶面方向性解理的缺點(diǎn)。此外，ＰCBN還具有以下特殊性能：

（１）高硬度。PCBN刀具的硬度僅次于金剛石，大大高于硬質(zhì)合金和陶瓷刀具，因此可以加工硬度為HRC60以上的淬硬鋼、鑄鐵和硬質(zhì)合金。

（２）高耐磨性。PCBN的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金和陶瓷，其刀具的使用壽命通常是陶瓷刀具的3～5倍，硬質(zhì)合金刀具的5～15倍。

（３）高化學(xué)惰性。PCBN與鐵族元素及其合金材料在1200～1300℃時(shí)不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，克服了聚晶金剛石刀具與鐵的化學(xué)親和性；具有較高的抗氧化能力對各種材料的粘結(jié)、擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小得多。

（４）高熱穩(wěn)定性。PCBN的耐熱性可以達(dá)到1400℃，比金剛石刀具（700～800℃）高得多。經(jīng)使用證明1100℃以上的切削溫度仍能維持高鋒利的切削性能，適合于干式切削。

（５）高導(dǎo)熱性。在各類刀具材料中，PCBN的導(dǎo)熱系數(shù)是79.54Ｗ/（ｍ·ｋ），僅次于金剛石，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金，且隨著溫度的升高，PCBN的導(dǎo)熱性能提高。但在溫度高于1000℃時(shí)，PCBN容易與水反應(yīng)，因此切削時(shí)不易用水或含水潤滑劑作冷卻液，必須合理選用冷卻液和切削溫度等工藝條件。

（６）低摩擦系數(shù)。與其他刀具材料相比，PCBN摩擦系數(shù)低。PCBN與不同材料間摩擦系數(shù)為0.1～0.3，而硬質(zhì)合金為0.4～0.6，而且隨著切削速度的提高，摩擦系數(shù)呈減小趨勢，從而使切削力減小，并減少刀屑粘刀現(xiàn)象。

（７）高速切削特性和高加工精度。由于PCBN具有高硬度、高耐磨性、高傳熱效率以及優(yōu)異的高溫性能等，可以認(rèn)為，PCBN刀具是迄今世界上最能滿足要求的首選工具。

20世紀(jì)60年代，人們開始對氮化硼纖維進(jìn)行研究。由于氮化硼纖維兼具氮化硼材料和纖維材料各自所有的特性，引起了人們極大的興趣，氮化硼纖維被認(rèn)為在核工業(yè)、電子和新型復(fù)合材料等方面具有很好的應(yīng)用前景。

氮化硼纖維的制備主要有2種方法：一種是化學(xué)轉(zhuǎn)化法，另一種是有機(jī)前驅(qū)體法。于宏林等采用化學(xué)轉(zhuǎn)化法，以硼酸為原料，分別在氮?dú)夂桶睔鈿夥障碌苽涞鹄w維，纖維拉伸強(qiáng)度為1400ＭPa，彈性模量為120GPa，可以用作復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。

高性能氮化硼纖維的制備主要采用有機(jī)前驅(qū)體法，如沈春英等以三聚氰胺和硼酸為原料，用濕化學(xué)法合成纖維狀前驅(qū)體，經(jīng)氮化制備氮化硼纖維；鄒曉蓉等以硼氫化鋰和硫酸銨為原料合成了氮化硼前驅(qū)體環(huán)硼氮烷，經(jīng)保溫固化得到聚硼氮烷，將聚硼氮烷在熔融紡絲機(jī)上紡絲可以得到連續(xù)性較好的纖維；曹義苗等以三氯化硼與氯化銨為原料首先合成三氯環(huán)硼氮烷，然后將三氯環(huán)硼氮烷和三氯化硼與甲胺反應(yīng)制得三氯環(huán)硼氮烷的衍生物（CH₃NG)₃N₃B₃H₃和B(NHCH₃)₃單體，經(jīng)縮合反應(yīng)得到氮化硼纖維前驅(qū)體，熔融紡絲后可以得到連續(xù)性較好，長約40cm、直徑為45μｍ的具有一定柔韌性的白色纖維，纖維透波性好；張銘霞等研究了氮化硼纖維的微觀結(jié)構(gòu)與纖維力學(xué)性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)纖維的模量與晶體取向有一定的關(guān)系：低模量的纖維微觀結(jié)構(gòu)通常是由納米晶體的無序排列和無定形區(qū)域組成，而高模量的纖維是由內(nèi)消旋—六方相晶體沿纖維軸向有序排列組成，一般地說，當(dāng)微觀結(jié)構(gòu)排列順序提高時(shí)，結(jié)晶度就會(huì)提高。

氮化硼纖維作為一種新型高溫陶瓷纖維，具有不同尋常的綜合性能，如耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、優(yōu)異的介電性能，以及與材料界面的化學(xué)相容性。它與陶瓷、金屬或樹脂基材料復(fù)合制成各種復(fù)合材料，可以應(yīng)用于冶金、電子、核工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域。

（１）用作磨具材料。小顆粒的CBN單晶主要用作磨具材料。CBN磨具是借助于結(jié)合劑的作用將CBN磨粒粘結(jié)成具有一定幾何形狀的制品。作為一種超硬材料磨具，CBN磨具用于磨削加工，屬于新興的先進(jìn)制造技術(shù)，既能用于鐵基材料的加工，也能用于非鐵金屬材料的加工，在金屬材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍比金剛石磨具更廣。立方氮化硼磨具對于黑色金屬，特別是硬度高、韌性大、高溫時(shí)強(qiáng)度高和熱傳導(dǎo)率低的材料，具有良好的磨削性能，其金屬磨除率是金剛石的10倍，解決了硬而韌難磨材料的加工問題。立方氮化硼磨具用于高速高效磨削和珩磨加工，可使磨削效率大大提高；其磨削精度高，砂輪壽命長，節(jié)約了砂輪更換修整、機(jī)床調(diào)整和工件檢測等許多輔助時(shí)間。

（２）用作刀具材料。PCBN克服了CBN單晶易解理和各向異性等不足，主要用于制作刀具材料。PCBN刀具坯料主要有３種：第一種是整體純PCBN燒結(jié)片；第二種是以CBN為耐磨層、以硬質(zhì)合金為襯底層經(jīng)高溫高壓共同燒結(jié)而成的復(fù)合片；第三種是先燒結(jié)制備PCBN刀片坯料，再焊接到硬質(zhì)合金上制備而成的復(fù)合片。用于刀具的材料最早的是高速鋼，以后是硬質(zhì)合金，再發(fā)展到涂層硬質(zhì)合金和陶瓷刀具。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的進(jìn)步，難加工材料和各種新型復(fù)合材料不斷出現(xiàn)，為聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼刀具材料的應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展空間。PCBN對鐵族金屬及其合金的加工特別有效，從而解決了金剛石工具難以加工鐵族金屬及其合金的問題。

PCBN特別適合于高速切削加工，如銑刀切削鈦合金速度150～200ｍ/ｍin，切削高溫合金速度80～120ｍ/ｍinｎ；每齒進(jìn)給量0.1~0.2ｍｍ/z；車刀切削鈦合金速度100～120ｍ/ｍin，切削高溫合金速度60～80ｍ/ｍin。在實(shí)現(xiàn)高速切削加工時(shí)，應(yīng)充分考慮切削深度和進(jìn)給量的參數(shù)選擇。

PCBN刀具可以高精密切削，已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，適合高硬度材料的切削加工，特別適合加工以前只能磨削加工的高硬度難加工材料，實(shí)現(xiàn)以車代磨、以銑代磨，能獲得較好的工件表面質(zhì)量，可以省去退火工序，大幅度提高生產(chǎn)效率。PCBN刀具可以實(shí)現(xiàn)硬態(tài)干式切削，加工過程中省去了切削液的使用，有利于環(huán)境保護(hù)和工人身體健康，可以充分發(fā)揮刀具優(yōu)異的切削性能和金屬軟化作用，明顯提高經(jīng)濟(jì)效益。

PCBN在國外已經(jīng)形成系列化產(chǎn)品，針對加工材料性能、加工設(shè)備與參數(shù)的不同能生產(chǎn)出不同品級(jí)和牌號(hào)的產(chǎn)品。其發(fā)展趨勢是尺寸規(guī)格越來越大，有利于刀具產(chǎn)品性能的穩(wěn)定和生產(chǎn)效率的提高，產(chǎn)品粒度趨于細(xì)化；結(jié)合劑的品種呈現(xiàn)多樣化，與刀具性能的匹配和適應(yīng)性越來越好。隨著航空航天、城市交通、車輛制造等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，先進(jìn)的加工制造為高速、高效、高精度的PCBN刀具的廣泛應(yīng)用提供了寬闊的市場。

（３）用作功能材料。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，元器件組裝密度和集成度越來越高，必須克服發(fā)熱器件的散熱問題。高導(dǎo)熱性氮化硼可以作為填料制備復(fù)合材料，用于封裝材料，滿足高頻場合發(fā)熱元器件的散熱需求。用氮化硼填充硅橡膠制備導(dǎo)熱復(fù)合材料，隨著CBN含量的增加，復(fù)合材料的熱失重和熱膨脹系數(shù)明顯降低，導(dǎo)熱系數(shù)和耐熱性升高，但對橡膠的硫化反應(yīng)影響不大。李春華等采用硅烷偶聯(lián)劑對氮化硼進(jìn)行表面處理，經(jīng)原位聚合反應(yīng)合成一種新型的有機(jī)/無機(jī)雜化環(huán)保型酚醛樹脂，所制得的復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度和電性能明顯提高。

氮化硼材料具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能，目前主要是作為機(jī)械工程材料，未來的發(fā)展趨勢是進(jìn)一步開發(fā)其功能材料的作用。其發(fā)展方向主要有：氮化硼單晶的納米化；大顆粒大直徑單晶的制備；立方氮化硼薄膜的制備與應(yīng)用；氮化硼材料制品的多樣化；氮化硼材料的功能化、復(fù)合化和高性能化；氮化硼應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展研究等。