大颗粒立方氮化硼研究与展望

立方氮化硼（CBN）是目前已知的硬度仅次于金刚石（莫氏硬度10）的超硬材料，CBN的莫氏硬度9.7，原子结构与金刚石中的碳原子结构类似，具有高密度和高硬度等优异特性。同样作为超硬材料，CBN的研究进展却远不及金刚石，在精密加工、第三代半导体、光谱器件等领域发展受限。因此，发展大颗粒CBN单晶生产技术是重要方向。

CBN又被称为工业的牙齿，具有比金刚石更加优秀的热稳定性和化学稳定性，良好的高温红硬性和抗氧化能力，能够在1300℃下与铁族元素不发生反应，尤其适合加工淬火钢等黑色金属。CBN还具有优秀的导热特性，很宽的能带间隙（Eg>6.2eV），以及很低的介电常数，是一种新型半导体材料，可以用于光学和量子计算领域。CBN的种种特性使得其在越来越多的领域有了更多更大的可能性。

目前CBN的工业批量合成方法是高温高压法，将六方氮化硼（HBN）与触媒混合，HBN在特定的高温高压条件下遵从相变机理转化为CBN单晶。在该方法中，触媒的加入可以很大程度上降低HBN向CBN转变所需的温度和压力，通过使用不同的触媒种类和添加剂，以及改变合成所需的工艺参数，可以实现对CBN产量、粒度、色泽、形貌等方面的控制。触媒主要选用碱金属、碱土金属及其氮化物和氮硼化物，较为常用的是Li基触媒。Li基触媒合成的CBN单晶透度较好，内部晶格缺陷少，晶体强度高，粒度较大。

高温高压触媒法中包括晶种温度梯度法，该方法是将一些小尺寸的CBN单晶置于HBN和触媒的混合体中充当晶种，CBN晶种位于合成腔体的低温区。在高温高压的环境下，由于合成腔体内部存在一定的温度梯度，由HBN 转变的CBN会到达低温区，随后在晶种表面沉积并生长，实现大尺寸CBN 单晶的合成制备。温度梯度法合成的CBN 单晶质量较好、尺寸较大，且单晶合成过程可以控制，但也存在合成所需时间长、产量低、对合成条件要求高等缺点。

国内科研人员曾采用温度梯度法也成功合成出了粗颗粒的CBN 单晶，通过晶种-温度梯度法，在合成压力为6.0 GPa，温度为1100℃的条件下，耗时3小时合成出了0.5mm的CBN 单晶。之后也有许多科研人员在此基础上尝试合成大颗粒CBN单晶，并对制备技术进行分析研究。通过对各学者研究内容的解析，CBN单晶粒度的主要影响因素有合成压力、合成温度、合成时间，以及触媒。值得思考的是若要制备大颗粒晶体，合成压力与合成温度并非越高越好。有学者通过实验研究表明，合成时间分别为15分钟、30分钟、60分钟，粒度逐步增加，但是增加幅度很小，产量逐步增加且增幅明显。合成时间对产量的影响较大，对粒度的影响很小。触媒的影响较为复杂，为生产大颗粒高品质CBN单晶，已形成多种触媒体系，乃至多元触媒体系。

国内对于CBN的研究起步较晚，虽然已经发展成为CBN产能大国，但在高品级大颗粒CBN单晶生产制备技术方面仍然与国外有着较大差距。最大量产粒度在300μm级别，距离毫米级别还有很大距离，无法满足半导体与光学器件的要求，限制了CBN在汽车、数控、电子等领域的应用。CBN生产制备技术还需尽快发展。

大颗粒CBN单晶研究应用前景广阔，同时磨料级CBN单晶现在也在磨削等领域发挥着重要作用。信阳市德隆超硬材料有限公司公司是一家从事CBN单晶研发、生产、销售为一体的高新技术企业，现有DL-8500牌号亮黑色CBN单晶和DL-7800牌号琥珀色CBN单晶，涵盖70/80至325/400全粒度号产品，欢迎联系合作。