超硬材料（英文名：Superhard Material），是指显微硬度超过1000～3000HV的材料，主要有金刚石和立方氮化硼，或以这两种材料为主要成分的复合材料，部分超硬的碳化物、刚玉等也包括在内。
人们发现天然金刚石已有3000多年的历史。但随着不断消耗，天然金刚石变得资源奇缺，价格昂贵，严重影响了工业应用。人们采用高温高压合成金刚石的研究始于1940年。1957年，物理学家温托夫（R.H.Wentorf）利用类似于合成金刚石的高温高压技术，研制成功了另一种超硬材料立方氮化硼。1972年，美国Compax烧结体投产，开辟了制造聚晶复合体的新途径。20世纪80年代以后，人造金刚石薄膜的研究掀起了热潮，开始进入产业化阶段。超硬材料薄膜被称为21世纪的新材料。2010年，中国金刚石产量达到62亿克拉，氮化硼达到12亿克拉。中国已经成为超硬材料生产大国，在产量上与美国通用电气、Element Six公司形成三足鼎立的局面。
超硬材料按组成可分为一元超硬材料，如金刚石等；二元超硬材料，如c−BN，β−C3N4等；三元超硬材料，如BCN等。按结构形式分为单晶、聚晶、薄膜。主要特点为：（1）化学键以共价键为主，离子键成分很少；（2）由元素周期表中第2、3周期的Ⅲ、Ⅳ族碳/氮化物及单质组成，元素的原子半径很小。超硬材料已广泛应用于石油开采、地质钻探、矿山开采、石材建筑材料加工、陶瓷材料加工、电子元件加工、机械部件加工等多个领域，在工业生产、国防、军工、航空航天等领域占有十分重要的地位。
基本介绍
定义
超硬材料是指显微硬度超过1000～3000HV的材料，主要有金刚石和立方氮化硼，或以这两种材料为主要成分的复合材料，部分超硬的碳化物、刚玉等也包括在内。
分类
超硬材料按组成可分为一元超硬材料，如金刚石等；二元超硬材料，如c−BN，β−C3N4等；三元超硬材料，如BCN等。按结构形式分为单晶、聚晶、薄膜。
主要特点
（1）化学键以共价键为主，离子键成分很少；（2）由元素周期表中第2、3周期的Ⅲ、Ⅳ族碳/氮化物及单质组成，元素的原子半径很小。
历史沿革
人们发现天然金刚石已有3000多年的历史。但随着不断消耗，天然金刚石变得资源奇缺，价格昂贵，严重影响了工业应用。人们采用高温高压合成金刚石的研究始于1940年。瑞典和通用电气分别于1953年和1954年相继研制成功人造金刚石，于1962年和1957年分别投入工业生产。之后，南非、日本、苏联等国家也相继宣布研究成功并投入生产。中国于1963年成功制得第一颗人造金刚石。
1957年，物理学家温托夫（R.H.Wentorf）利用类似于合成金刚石的高温高压技术，研制成功了另一种超硬材料氮化硼。1961年，Decanli与Jamieson在30GPa冲击压力下第一次用爆炸法合成金刚石取得成功。1962年，邦迪（F.P.Bundy）在3000～4000K和12GPa以上的静压下实现了不用触媒的石墨向金刚石的直接转变。
1970年，温托夫人工生长成功获得宝石级（6mm，重约1克拉）的金刚石。1972年，美国Compax烧结体投产，开辟了制造聚晶复合体的新途径。
在20世纪70年代以前，金刚石的用量增长速度每年递增9.6%，而同期工业增长速度平均为4%。
20世纪80年代以后，人造金刚石薄膜的研究掀起了热潮。开始进入产业化阶段。超硬材料薄膜被称为21世纪的新材料。随着世界科技发展和经济发展，对超硬材料的要求越来越多。超硬材料以高于世界工业增长速度的速度而快速发展。
中国超硬材料也得到快速发展。据不完全统计，到1996年，中国人造金刚石生产企业已有733家，年产量达到3.2亿克拉。2001年，中国超硬材料总产量由1998年的4亿克拉，增长到16.2亿克拉，其中制品产量从1998年的0.5亿克拉增加到2.9亿克拉。2004年，中国年产超硬材料20亿克拉，其中氮化硼也达到1亿多克拉。2010年，中国金刚石产量达到62亿克拉，立方氮化硼达到12亿克拉。
中国已经成为超硬材料生产大国，在产量上与美国通用电气、Element Six公司形成三足鼎立的局面。但中国还不是金刚石强国，在高品级超硬材料合成技术、分选技术及产量上还需进一步的发展。
全世界超硬材料制品年增长率在20%～30%。用金刚石磨具和立方氮化硼磨具取代传统的碳化硅和刚玉磨具，用金刚石锯切工具和钻探工具取代钢和硬质合金锯片和钻头，是当今世界上工具行业发展的总趋势。
研究成果
2013年1月17日《自然》杂志发表燕山大学多晶超硬材料合成技术突破性成果，燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君教授领导的研究组在国家自然科学基金创新研究群体、重点项目、面上项目以及科技部973项目的持续资助下，与国内外科学家合作，在多晶超硬材料合成技术和超硬材料硬化机理研究方面取得突破性进展。利用高温高压技术成功地合成出超高硬度的纳米孪晶结构氮化硼块材，提出了材料硬化新机制。其研究成果发表在2013年1月17日最新一期的Nature杂志上。优异的综合性能表明纳米孪晶结构立方氮化硼是一种工业界期盼已久的刀具材料。这一研究成果向人们展现了合成高性能超硬材料的新途径——获得超细纳米孪晶结构。
中国材料科学家燕山大学田永君教授领导的研究团队与吉林大学马琰铭教授和芝加哥大学王雁宾教授合作，继2013年合成出极硬纳米孪晶立方氮化硼之后再次取得突破，在高温高压下成功地合成出硬度两倍于天然金刚石的纳米孪晶结构金刚石块材。研究成果发表在2014年6月12日的Nature杂志上。
市场概况
市场规模
1.油气用PCD复合片市场：全球市场规模约为110亿元，中国市场规模大约为14亿元。
2.矿用金刚石复合片市场：全球市场规模近200亿元，中国市场规模约为20亿元，受煤炭产量增长带动，市场规模持续扩大。
3.PCD高品级拔丝模坯市场：市场容量可观，但受生产成本和售价较高影响，目前市场主要由对拉丝效果、精度要求较高的终端用户占据，市场容量有待进一步扩大。
4.培育钻石市场：河南省培育钻的制造技术成熟，在颜色和净度上已达到消费品钻石标准。
驱动因素
1.全球经济复苏：随着全球经济的复苏，石油工业、建筑行业、金属切削机床以及汽车产业都获得长足发展，这为复合超硬材料提供了更广阔的市场空间。
2.中国宏观经济发展：国内宏观经济的持续快速发展，推动了终端用户对复合超硬材料的需求保持较快增长态势。
3.页岩气快速发展：页岩气的快速发展带动了对超硬材料，特别是用于石油、天然气钻头的金刚石烧结体（PCD）复合片的需求。
应用范围
超硬材料已广泛应用于石油开采、地质钻探、矿山开采、石材建筑材料加工、陶瓷材料加工、木材和家具的加工生产、电子元件加工、汽车部件和飞机部件等机械部件的加工等许多领域，在工业生产、国防、军工、航空航天等领域占有十分重要的地位。
常见材料
金刚石
金刚石（diamond）因是自然界中已知的最硬物质而被俗称为“金刚钻”，也称钻石，于19世纪70年代在一种由远古时代的岩浆冷却以后所形成的火山岩中首次被发现。天然金刚石是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质物质。目前有两种方法可以合成人造金刚石，一种是高温高压法，另一种是化学气相沉积法。基于高温高压法的人造金刚石的合成技术已经成熟并已产业化，而化学气相沉积法主要限于实验室。
主要用途：金刚石是一种贵重宝石，应用广泛，常用于制作饰品或工业中的切割工具。
主要特征：金刚石耐酸、碱，在高温下不会与硝酸、浓氢氟酸、氯化氢产生作用。它的折射率高，在阴极射线、X射线和紫外线的照射下，会发出天蓝色、绿色、紫色、黄绿色或其他荧光；在阳光下还会发出淡青蓝色的磷光。颜色为黄色、绿色、蓝色、紫色、灰色、乳白色和褐色等，以无色状态为最佳。
人造金刚石
人造金刚石（Polycrystalline Diamond）是目前最硬的刀具材料，它的硬度与天然金刚石相同。它的硬度使它的耐磨性很高，通常也作为砂轮的主要成分，用来磨削钨钢刀具，也用来修正其他陶瓷砂轮的外形。人造金刚石颗粒通常焊接或者涂敷在硬质合金基体上，使刀具更加耐冲击。人造金刚石刀具的寿命通常数倍于硬质合金，甚至达一百倍。
主要用途：人造金刚石作为超硬材料已广泛应用于机械加工，石材切割，地质钻探以及电子、国防工业，用于磨具类，如砂轮、磨头油石，滚轮等；切割工具类：切割各种石材的锯片、锯条；地质钻探类：地质钻头，扩孔器；工具类：如车刀、铣刀、镗刀铰刀、锉刀、拉丝模等。人造金刚石还具有比热和电、磁方面的特殊性质，并开始应用于半导体和电子原器件中。
主要特征：①人造金刚石的莫氏硬度为10，显微硬度为10060kgf/mm²，金刚石的绝对硬度为石英的1000倍，为刚玉的150倍；②人造金刚石的耐磨性比钨钢高40-200倍，比热处理的合金钢和高速切削淬火工具钢高2000-5000倍，比刚玉高90倍。③一般在3.52g/mm³左右。①人造金刚石在常温下具有很好的化学稳定性，不与酸、碱发生反应。⑤人造金刚石的颜色常见的是黄绿色，并且比较稳定，一般的物理化学作用不致使其改变。⑥人造金刚石大约在720℃左右开始氧化，如果将金刚石在惰性气氛加热，在1500℃时开始石墨化。
立方氮化硼
立方氮化硼（Cubic Boron 氮化物，CBN）的硬度仅次于金刚石，是高硬度、高耐磨性和高热硬性的刀具材料。它的韧性比陶瓷高一些。因为立方氮化硼刀片采用焊接在钨钢基体上的方法，所以对于间断性的切削加工，以及双金属材料工件在加工中硬度的变化都不敏感，有一定的抗冲击性。
立方氮化硼虽然比陶瓷要硬，但是化学稳定性和热稳定性不如陶瓷刀具。它主要加工锻钢的硬皮、淬硬钢、冷硬铸铁、钴基和铁基的粉末冶金工件材料。在硬质材料的加工中，氮化硼的切削速度和寿命要优于陶瓷。
主要用途：立方氮化硼适于精加工各种淬火钢、硬铸铁、高温合金、硬质合金、表面喷涂材料等难切削材料。
主要特征：具有很高的硬度（8000～9000HV）和耐磨性；热稳定性好（可耐1400～1500℃高温）；化学稳定性好，在1000℃以下不会产生氧化现象，在1200～1300℃高温下不会与铁系材料起化学反应；有良好的导热性和较低的摩擦系数，但韧性和抗弯强度较差。故立方氮化硼不宜用于低速、冲击载荷大的粗加工，也不适于切削塑性大的材料（如铝合金、铜合金、镍基合金、塑性大的钢等），因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤而使加工表面恶化。
参考资料 >
《自然》杂志发表燕山大学多晶超硬材料合成技术成果.人民网.2025-10-18
材料学院在极硬材料合成研究领域再次取得重大突破.燕山大学材料科学与工程学院.2025-10-18
巴菲特重金投向“金属切割” 3股望跟风大涨.东方财富网.2025-10-23
培育钻石未来“贸易之都”在中部悄然现雏形.百家号.2025-10-23