立方氮化硼單晶：超硬材料的性能與應用

立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，簡稱cBN）是一種人工合成的超硬材料，其單晶硬度僅次于金剛石，顯微硬度可達71.54GPa，但具有比金剛石更優異的熱穩定性和化學惰性，成為現代工業中不可或缺的關鍵材料。

cBN單晶的晶體結構與金剛石類似，由硼原子和氮原子以共價鍵結合形成立方晶格，這種結構賦予其獨特的物理特性。在高溫環境下，cBN單晶表現出卓越的穩定性，可在1450℃以下正常使用，遠超金剛石（720℃即發生氧化）。其導熱系數為79.54W/m·K，雖低于金剛石，但仍顯著高于硬質合金和高速鋼，有利于切削過程中熱量的快速傳導。此外，cBN單晶具有極寬的禁帶寬度，通過摻雜可制成p型或n型半導體，為高溫電子器件領域提供了新可能。

合成cBN單晶主要采用靜態高壓觸媒法，以六方氮化硼（hBN）為原料，在金屬鎂或氮硼化物（如Li?N、Mg?N?）觸媒作用下，于4-8GPa高壓和1400-1800℃高溫條件下轉化生成。早期合成技術受限于晶粒尺寸（通常小于0.5mm），但通過優化觸媒配比及溫度梯度法，已能制備出毫米級大顆粒單晶。

cBN單晶的應用集中于兩大領域：一是作為磨具材料，小顆粒單晶通過結合劑粘結成砂輪等制品，用于加工高硬度、高韌性材料（如淬硬鋼、鈦合金），其金屬磨除率是金剛石的10倍，且壽命更長；二是作為刀具材料基礎原料，通過燒結細粒cBN制成聚晶立方氮化硼（PCBN），克服單晶各向異性缺陷，實現高速切削淬硬鋼、鑄鐵及難加工合金，支持干式切削和自動化加工。

中國是全球cBN單晶主要生產國，產量占全球70%以上，鄭州等地形成產業集聚地。2022年國內cBN刀具市場規模達35.8億元，預計全球市場將以7.7%年復合增長率擴張。隨著技術突破，cBN單晶在半導體、光學及高溫應用領域的潛力正逐步釋放。

信陽市德隆超硬材料有限公司推出的DL-8500牌號CBN單晶，屬黑色系立方氮化硼范疇，晶面較多，具有分明的棱角，可細分為A、B型，A型具有完整規則塊狀形貌，切削研磨效率高，有更高的強度；B型晶體呈不規則塊狀或片狀形貌，鋒利性高，自銳性好。