特硬的性质及其应用合编.doc

特硬材料的性质及其应用 作者：蒋明杰 （陕西理工学院 物理与电气工程学院 物理学专业2011级1班，陕西 汉中 723000） 指导教师：陈德胜 [摘要]特硬材料是人类已知的具有最高硬度的一些材料的集合，主要是指金刚石和立方氮化硼。金刚石是目前已知世界上最硬的物质，立方氮化硼硬度仅次于金刚石。特硬材料的研制和生产技术是一种高新技术，它的应用对整个国民经济将产生深远的影响。本文主要研究特硬材料的种类及其性质、研究特硬材料在生产和科研领域的应用，分析我国特硬材料的发展现状及发展前景。 [关键词]特硬材料；金刚石；立方氮化硼；应用；前景 引言 现代科学技术迅速发展，特硬材料作为一种非常重要的材料，已经越来越多的应用于国民经济和科学研究的各个领域。随着汽车、高铁、地铁、隧道、军事工业尤其是航空航天业不断发展的需要，对材料提出了愈来愈苛刻的性能要求，对刀具、钻具、钎具的要求也越来越高。如对一些特难加工的合金材料,用硬质合金工具是很难胜任的,必须采用特硬刀具、特硬钻具,而且其耐用度是硬质合金的几十倍。同时,由于特硬刀具的应用,伴随着“以车代磨”、“硬态加工、干式切削”等先进工艺技术的应用,可以有效避免生产过程中的灰尘、磨削液对环境的污染,有利于实现清洁化生产。特硬刀具被视为是一种高速、高效、高稳定性及低碳环保的绿色切削工具,是未来机械加工的主流。因此，发展集技术的先进性、应用的广泛性、生产的高效性和良好的经济性于一体的特硬材料，是科学研究和生产过程中的一个重要课题。 1 常见特硬材料及其性质 特硬材料主要是指金刚石和立方氮化硼。金刚石是目前已知的世界上最硬的物质，立方氮化硼硬度仅次于金刚石。这两种特硬材料的硬度都远高于其它材料的硬度，包括磨具材料刚玉、碳化硅以及刀具材料硬质合金、高速钢等。因此，特硬材料适于用来制造加工其它材料的工具，尤其是在加工硬质材料方面，具有无可比拟的优越性，占有不可替代的重要地位。 1.1金刚石 金刚石是一种由碳元素组成的矿物，是碳元素的同素异形体，金刚石的化学式为C——N个C,只能用它的元素符号加注释来表示为[C(金刚石)]。金刚石是原子晶体,一块金刚石是一个巨分子，N个C的聚合体，空间结构为稳定的正三棱锥交替链接而成，其分子结构如图1.1所示。 金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质，其基本性质见表1.1所示。 金刚石不仅具有硬度高、耐磨、热稳定性能好等特性，而且以其优秀的抗压强度、散热速率、传声速率、电流阻抗、防蚀能力、透光、低热胀率等物理性能，成为工业应用领域不可替代的新材料，现代工业和科学技术的瑰宝。金刚石有许多重要的工业用途，如精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模。还被作为很多精密仪器的部件。 表1.1 金刚石的基本性质 分类 性 质 物 理 性 质 （1）颜色：金刚石有各种颜色，从无色到黑色都有，以无色的为特佳。它们可以是透明的，也可以是半透明或不透明。许多金刚石带些黄色，这主要是由于金刚石中含有杂质。 金刚石的折射率非常高，色散性能也很强，这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷闪光的原因。金刚石在X射线照射下会发出蓝绿色荧光。 （2）稳定性：金刚石化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，高温下不与浓HF、HCl、HNO3作用，只在Na2CO3、NaNO3、KNO3的熔融体中，或与K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸时，表面会稍有氧化；在O2、CO、CO2、H、Cl、H2O、CH4的高温气体中腐蚀。 （3）热导率：金刚石的热导率一般为136.16w/（m·k），其中Ⅱa型金刚石热导率极高，在液氮温度下为铜的25倍，并随温度的升高而急剧下降，如在室温时为铜的5倍；比热容随温度上升而增加，如在-106℃时为399.84J/（kg·k），107℃时为472.27J/（kg·k）；热膨胀系数极小，随温度上升而增高，如在-38.8℃时为0，0℃时为5.6×10-7；在纯氧中燃点为720～800℃，在空气中为850～1000℃，在绝氧下2000～3000℃转变为石墨。 （4）硬度：摩氏硬度10，新摩氏硬度15，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。 结构性质 在钻石晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。 光 学 性 质 （1）亮度：金刚石因为具有极