超硬材料（英文名：Superhard Material），是指顯微硬度超過1000～3000HV的材料，主要有金剛石和立方氮化硼，或以這兩種材料為主要成分的復合材料，部分超硬的碳化物、剛玉等也包括在內。
人們發現天然金剛石已有3000多年的歷史。但隨著不斷消耗，天然金剛石變得資源奇缺，價格昂貴，嚴重影響了工業應用。人們采用高溫高壓合成金剛石的研究始于1940年。1957年，物理學家溫托夫（R.H.Wentorf）利用類似于合成金剛石的高溫高壓技術，研制成功了另一種超硬材料立方氮化硼。1972年，美國Compax燒結體投產，開辟了制造聚晶復合體的新途徑。20世紀80年代以后，人造金剛石薄膜的研究掀起了熱潮，開始進入產業化階段。超硬材料薄膜被稱為21世紀的新材料。2010年，中國金剛石產量達到62億克拉，氮化硼達到12億克拉。中國已經成為超硬材料生產大國，在產量上與美國通用電氣、Element Six公司形成三足鼎立的局面。
超硬材料按組成可分為一元超硬材料，如金剛石等；二元超硬材料，如c?BN，β?C3?N4?等；三元超硬材料，如BCN等。按結構形式分為單晶、聚晶、薄膜。主要特點為：（1）化學鍵以共價鍵為主，離子鍵成分很少；（2）由元素周期表中第2、3周期的Ⅲ、Ⅳ族碳/氮化物及單質組成，元素的原子半徑很小。超硬材料已廣泛應用于石油開采、地質鉆探、礦山開采、石材建筑材料加工、陶瓷材料加工、電子元件加工、機械部件加工等多個領域，在工業生產、國防、軍工、航空航天等領域占有十分重要的地位。
基本介紹
定義
超硬材料是指顯微硬度超過1000～3000HV的材料，主要有金剛石和立方氮化硼，或以這兩種材料為主要成分的復合材料，部分超硬的碳化物、剛玉等也包括在內。
分類
超硬材料按組成可分為一元超硬材料，如金剛石等；二元超硬材料，如c?BN，β?C3?N4?等；三元超硬材料，如BCN等。按結構形式分為單晶、聚晶、薄膜。
主要特點
（1）化學鍵以共價鍵為主，離子鍵成分很少；（2）由元素周期表中第2、3周期的Ⅲ、Ⅳ族碳/氮化物及單質組成，元素的原子半徑很小。
歷史沿革
人們發現天然金剛石已有3000多年的歷史。但隨著不斷消耗，天然金剛石變得資源奇缺，價格昂貴，嚴重影響了工業應用。人們采用高溫高壓合成金剛石的研究始于1940年。瑞典和通用電氣分別于1953年和1954年相繼研制成功人造金剛石，于1962年和1957年分別投入工業生產。之后，南非、日本、蘇聯等國家也相繼宣布研究成功并投入生產。中國于1963年成功制得第一顆人造金剛石。
1957年，物理學家溫托夫（R.H.Wentorf）利用類似于合成金剛石的高溫高壓技術，研制成功了另一種超硬材料氮化硼。1961年，Decanli與Jamieson在30GPa沖擊壓力下第一次用爆炸法合成金剛石取得成功。1962年，邦迪（F.P.Bundy）在3000～4000K和12GPa以上的靜壓下實現了不用觸媒的石墨向金剛石的直接轉變。
1970年，溫托夫人工生長成功獲得寶石級（6mm，重約1克拉）的金剛石。1972年，美國Compax燒結體投產，開辟了制造聚晶復合體的新途徑。
在20世紀70年代以前，金剛石的用量增長速度每年遞增9.6%，而同期工業增長速度平均為4%。
20世紀80年代以后，人造金剛石薄膜的研究掀起了熱潮。開始進入產業化階段。超硬材料薄膜被稱為21世紀的新材料。隨著世界科技發展和經濟發展，對超硬材料的要求越來越多。超硬材料以高于世界工業增長速度的速度而快速發展。
中國超硬材料也得到快速發展。據不完全統計，到1996年，中國人造金剛石生產企業已有733家，年產量達到3.2億克拉。2001年，中國超硬材料總產量由1998年的4億克拉，增長到16.2億克拉，其中制品產量從1998年的0.5億克拉增加到2.9億克拉。2004年，中國年產超硬材料20億克拉，其中氮化硼也達到1億多克拉。2010年，中國金剛石產量達到62億克拉，立方氮化硼達到12億克拉。
中國已經成為超硬材料生產大國，在產量上與美國通用電氣、Element Six公司形成三足鼎立的局面。但中國還不是金剛石強國，在高品級超硬材料合成技術、分選技術及產量上還需進一步的發展。
全世界超硬材料制品年增長率在20%～30%。用金剛石磨具和立方氮化硼磨具取代傳統的碳化硅和剛玉磨具，用金剛石鋸切工具和鉆探工具取代鋼和硬質合金鋸片和鉆頭，是當今世界上工具行業發展的總趨勢。
研究成果
2013年1月17日《自然》雜志發表燕山大學多晶超硬材料合成技術突破性成果，燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室田永君教授領導的研究組在國家自然科學基金創新研究群體、重點項目、面上項目以及科技部973項目的持續資助下，與國內外科學家合作，在多晶超硬材料合成技術和超硬材料硬化機理研究方面取得突破性進展。利用高溫高壓技術成功地合成出超高硬度的納米孿晶結構氮化硼塊材，提出了材料硬化新機制。其研究成果發表在2013年1月17日最新一期的Nature雜志上。優異的綜合性能表明納米孿晶結構立方氮化硼是一種工業界期盼已久的刀具材料。這一研究成果向人們展現了合成高性能超硬材料的新途徑——獲得超細納米孿晶結構。
中國材料科學家燕山大學田永君教授領導的研究團隊與吉林大學馬琰銘教授和芝加哥大學王雁賓教授合作，繼2013年合成出極硬納米孿晶立方氮化硼之后再次取得突破，在高溫高壓下成功地合成出硬度兩倍于天然金剛石的納米孿晶結構金剛石塊材。研究成果發表在2014年6月12日的Nature雜志上。
市場概況
市場規模
1.油氣用PCD復合片市場：全球市場規模約為110億元，中國市場規模大約為14億元。
2.礦用金剛石復合片市場：全球市場規模近200億元，中國市場規模約為20億元，受煤炭產量增長帶動，市場規模持續擴大。
3.PCD高品級拔絲模坯市場：市場容量可觀，但受生產成本和售價較高影響，目前市場主要由對拉絲效果、精度要求較高的終端用戶占據，市場容量有待進一步擴大。
4.培育鉆石市場：河南省培育鉆的制造技術成熟，在顏色和凈度上已達到消費品鉆石標準。
驅動因素
1.全球經濟復蘇：隨著全球經濟的復蘇，石油工業、建筑行業、金屬切削機床以及汽車產業都獲得長足發展，這為復合超硬材料提供了更廣闊的市場空間。
2.中國宏觀經濟發展：國內宏觀經濟的持續快速發展，推動了終端用戶對復合超硬材料的需求保持較快增長態勢。
3.頁巖氣快速發展：頁巖氣的快速發展帶動了對超硬材料，特別是用于石油、天然氣鉆頭的金剛石燒結體（PCD）復合片的需求。
應用范圍
超硬材料已廣泛應用于石油開采、地質鉆探、礦山開采、石材建筑材料加工、陶瓷材料加工、木材和家具的加工生產、電子元件加工、汽車部件和飛機部件等機械部件的加工等許多領域，在工業生產、國防、軍工、航空航天等領域占有十分重要的地位。
常見材料
金剛石
金剛石（diamond）因是自然界中已知的最硬物質而被俗稱為“金剛鉆”，也稱鉆石，于19世紀70年代在一種由遠古時代的巖漿冷卻以后所形成的火山巖中首次被發現。天然金剛石是在地球深部高壓、高溫條件下形成的一種由碳元素組成的單質物質。目前有兩種方法可以合成人造金剛石，一種是高溫高壓法，另一種是化學氣相沉積法。基于高溫高壓法的人造金剛石的合成技術已經成熟并已產業化，而化學氣相沉積法主要限于實驗室。
主要用途：金剛石是一種貴重寶石，應用廣泛，常用于制作飾品或工業中的切割工具。
主要特征：金剛石耐酸、堿，在高溫下不會與硝酸、濃氫氟酸、氯化氫產生作用。它的折射率高，在陰極射線、X射線和紫外線的照射下，會發出天藍色、綠色、紫色、黃綠色或其他熒光；在陽光下還會發出淡青藍色的磷光。顏色為黃色、綠色、藍色、紫色、灰色、乳白色和褐色等，以無色狀態為最佳。
人造金剛石
人造金剛石（Polycrystalline Diamond）是目前最硬的刀具材料，它的硬度與天然金剛石相同。它的硬度使它的耐磨性很高，通常也作為砂輪的主要成分，用來磨削鎢鋼刀具，也用來修正其他陶瓷砂輪的外形。人造金剛石顆粒通常焊接或者涂敷在硬質合金基體上，使刀具更加耐沖擊。人造金剛石刀具的壽命通常數倍于硬質合金，甚至達一百倍。
主要用途：人造金剛石作為超硬材料已廣泛應用于機械加工，石材切割，地質鉆探以及電子、國防工業，用于磨具類，如砂輪、磨頭油石，滾輪等；切割工具類：切割各種石材的鋸片、鋸條；地質鉆探類：地質鉆頭，擴孔器；工具類：如車刀、銑刀、鏜刀鉸刀、銼刀、拉絲模等。人造金剛石還具有比熱和電、磁方面的特殊性質，并開始應用于半導體和電子原器件中。
主要特征：①人造金剛石的莫氏硬度為10，顯微硬度為10060kgf/mm2，金剛石的絕對硬度為石英的1000倍，為剛玉的150倍；②人造金剛石的耐磨性比鎢鋼高40-200倍，比熱處理的合金鋼和高速切削淬火工具鋼高2000-5000倍，比剛玉高90倍。③一般在3.52g/mm3左右。①人造金剛石在常溫下具有很好的化學穩定性，不與酸、堿發生反應。⑤人造金剛石的顏色常見的是黃綠色，并且比較穩定，一般的物理化學作用不致使其改變。⑥人造金剛石大約在720℃左右開始氧化，如果將金剛石在惰性氣氛加熱，在1500℃時開始石墨化。
立方氮化硼
立方氮化硼（Cubic Boron 氮化物，CBN）的硬度僅次于金剛石，是高硬度、高耐磨性和高熱硬性的刀具材料。它的韌性比陶瓷高一些。因為立方氮化硼刀片采用焊接在鎢鋼基體上的方法，所以對于間斷性的切削加工，以及雙金屬材料工件在加工中硬度的變化都不敏感，有一定的抗沖擊性。
立方氮化硼雖然比陶瓷要硬，但是化學穩定性和熱穩定性不如陶瓷刀具。它主要加工鍛鋼的硬皮、淬硬鋼、冷硬鑄鐵、鈷基和鐵基的粉末冶金工件材料。在硬質材料的加工中，氮化硼的切削速度和壽命要優于陶瓷。
主要用途：立方氮化硼適于精加工各種淬火鋼、硬鑄鐵、高溫合金、硬質合金、表面噴涂材料等難切削材料。
主要特征：具有很高的硬度（8000～9000HV）和耐磨性；熱穩定性好（可耐1400～1500℃高溫）；化學穩定性好，在1000℃以下不會產生氧化現象，在1200～1300℃高溫下不會與鐵系材料起化學反應；有良好的導熱性和較低的摩擦系數，但韌性和抗彎強度較差。故立方氮化硼不宜用于低速、沖擊載荷大的粗加工，也不適于切削塑性大的材料（如鋁合金、銅合金、鎳基合金、塑性大的鋼等），因為切削這些金屬時會產生嚴重的積屑瘤而使加工表面惡化。
參考資料 >
《自然》雜志發表燕山大學多晶超硬材料合成技術成果.人民網.2025-10-18
材料學院在極硬材料合成研究領域再次取得重大突破.燕山大學材料科學與工程學院.2025-10-18
巴菲特重金投向“金屬切割” 3股望跟風大漲.東方財富網.2025-10-23
培育鉆石未來“貿易之都”在中部悄然現雛形.百家號.2025-10-23