1.引言

       綠色制造是低碳、低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的制造模式。其實(shí)質(zhì)是能源高效利用、開發(fā)清潔能源、追求綠色GDP的問題。核心是能源技術(shù)和減排技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和制度創(chuàng)新和人類生產(chǎn)發(fā)展觀念的根本性轉(zhuǎn)變。這是時(shí)代賦予我們的崇高使命和頭等重要任務(wù)。作為科學(xué)技術(shù)工作者，特別是作為超硬材料制品研發(fā)與生產(chǎn)的科學(xué)技術(shù)工作者，應(yīng)該積極主動(dòng)地獻(xiàn)身于這場偉大的技術(shù)變革中去，讓其他材料無可比擬的超硬材料大顯神威。

       關(guān)于綠色制造與超硬制品的開發(fā)應(yīng)用這個(gè)議題中，應(yīng)從兩個(gè)方面去闡述，一是超硬材料工具在制造過程中如何實(shí)現(xiàn)自身的低碳綠色與節(jié)能減排；二是超硬材料工具在為促進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳綠色與節(jié)能減排中起著重要的技術(shù)支撐的作用。本文僅就后者做一簡要的闡述。

2.PDC鉆頭為綠色能源鉆采開路

       在化石類能源中，天然氣是生物在地層深部高溫高壓環(huán)境下經(jīng)歷億萬年而生成的一種可燃?xì)怏w，主要成分為甲烷，熱值約為8500大卡/米3，主要存在于天然氣田、油田及一些煤氣田，其成份中硫等雜質(zhì)很少，燃燒后生成CO2和水，很少排放其他污染物。因此，與煤炭和石油相比當(dāng)是一種清潔環(huán)保能源。有人預(yù)測，2020年后天然氣將超過石油和煤炭成為一次能源消費(fèi)中的主體。而在中國天然氣在一次能源中所占比例目前只有3.8%，發(fā)展空間巨大。

       在淺層油氣資源經(jīng)過近百年的不斷開采，儲(chǔ)量越來越少，和全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)油氣資源的依賴程度越來越嚴(yán)重的雙重壓力下，人們不斷探索更深地層儲(chǔ)藏石油天然氣的可能性。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)深地層地質(zhì)構(gòu)造認(rèn)識(shí)的不斷深入，在越來越深的地層中發(fā)現(xiàn)并開采石油天然氣資源已經(jīng)成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的科學(xué)問題。

       二氧化碳是地球氣候不斷變暖的主要原因之一，如何減少二氧化碳的排放是當(dāng)今人類面臨的共同挑戰(zhàn)。在人們發(fā)展的新技術(shù)中，二氧化碳的地質(zhì)封存和二氧化碳驅(qū)油采油就是一種新的減排方法。有關(guān)專家估計(jì)，這些存于地下的二氧化碳，再經(jīng)過2000多年逐漸溶于巖層，而形成新的礦物質(zhì)。

       一般來講，采出一噸原油燃燒后大概會(huì)釋放2.68噸二氧化碳。如果開采一噸石油的同時(shí)被封存于地層的二氧化碳量達(dá)到或超過2.68噸，則原油燃燒產(chǎn)生的二氧化碳和封存于地下的二氧化碳相互抵消，從而可實(shí)現(xiàn)原油的綠色開采。

       這種綠色采油技術(shù)在美國已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。據(jù)有關(guān)資料顯示，2008年美國利用二氧化碳驅(qū)采出的原油達(dá)到1.14億噸。

       據(jù)有關(guān)專家估計(jì)，從中國的油氣地質(zhì)情況出發(fā)，通過二氧化碳所采出來的原油有可能做到40～50%是無碳的，至少可以通過二氧化碳采油技術(shù)達(dá)到開采低碳石油的水平。根據(jù)我國目前探明的石油地質(zhì)儲(chǔ)量，適合二氧化碳開采的低滲透油層地質(zhì)儲(chǔ)量為63億噸，在深部地層具有巨大的開采原油的潛力，同時(shí)也有巨大封存二氧化碳的潛力。

       天然氣井的勘探與開發(fā)，單井投資巨大，鉆井深度深，工期長，技術(shù)難度高。而人造金剛石的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金，將其應(yīng)用到石油鉆頭，會(huì)使整個(gè)鉆井技術(shù)帶來質(zhì)的飛躍[1]。應(yīng)用先進(jìn)的PDC鉆頭取代傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金牙輪鉆頭，可加快鉆進(jìn)速度，減少鉆井工時(shí)和成本，盡可能實(shí)現(xiàn)綠色鉆井?，F(xiàn)在的問題是用國產(chǎn)的PDC鉆頭，井深3000～4000m尚可，而大于5000m的深海鉆井就得用進(jìn)口的鉆頭。因此，我國在“十二五”期間應(yīng)加大對(duì)PDC及其原材料的研發(fā)力度，制造出井深在5000米以上的深海PDC鉆頭，是我們?yōu)橹^斗的目標(biāo)。

3.超硬刀具與綠色切削

       國外高速切削刀具技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用歷史證明，由于以PCD和PCBN刀具為代表的超硬刀具具有比硬質(zhì)合金、陶瓷刀具更高的硬度和更優(yōu)良的耐磨性，能適應(yīng)更高的切削速度、更明顯體現(xiàn)了現(xiàn)代先進(jìn)切削技術(shù)的“高效、精密和柔性”的基本特征，因此，他們是目前較理想的高速切削刀具，代表了現(xiàn)代高效高速切削刀具的發(fā)展方向[2]。

       由于超硬刀具“以車代磨”、“硬態(tài)加工”和“干式切削”等先進(jìn)切削工藝技術(shù)的應(yīng)用，避免了切(磨)削液、切(磨)削屑對(duì)環(huán)境的污染，可實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)。因此，超硬刀具高速切削技術(shù)被公認(rèn)為二十一世紀(jì)高效、綠色環(huán)保和資源、能源節(jié)約型加工工具。

       硬態(tài)切削是指采用單刃或多刃刀具對(duì)淬硬零件進(jìn)行切削加工，是一種“以切代磨”的新工藝，也是高速切削技術(shù)的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。與傳統(tǒng)磨削加工相比，高速硬切削具有效率高、柔性好、無切削液對(duì)環(huán)境的污染、工序少、投資省等優(yōu)點(diǎn)[3]。

       根據(jù)綠色制造“節(jié)約能源、節(jié)約資源、污染最小、有利環(huán)保”的指導(dǎo)思想，為了消除切削液的不良影響，最理想有效的加工方式就是干切削，干切削加工工藝在西方發(fā)達(dá)國家有了相當(dāng)好的應(yīng)用。

       在加工含硅高的鋁、鎂合金材料時(shí)，硬質(zhì)合金刀具壽命太低難以勝任，PCD刀具的耐用度是硬質(zhì)合金的10～50倍，可保證零件的尺寸穩(wěn)定性，并可大大提高切削速度、加工效率和加工質(zhì)量，充分體現(xiàn)了其低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向。

       據(jù)報(bào)道，日本PCD、PCBN刀具年產(chǎn)值占其國內(nèi)各類刀具總產(chǎn)值的4%左右、美國占4.14%、俄羅斯占6%～7%(俄羅斯缺鎢，硬質(zhì)合金刀具用量較少，PCBN刀具用量大)[4]。而目前我國PCD、PCBN切削刀具年產(chǎn)量僅40萬把左右，銷售額不到2億元，約為國內(nèi)各類刀具總產(chǎn)值的0.5%左右，仍有2/3的PCD、PCBN刀具市場為進(jìn)口產(chǎn)品，國產(chǎn)PCD、PCBN刀具不到1/3份額，且使用的PCD、PCBN刀具原料幾乎為國外進(jìn)口產(chǎn)品，因此，我國PCD、PCBN刀具發(fā)展與國外尚有很大差距。

       目前，全球超硬刀具的市場銷售總量約為10億美元，其中PCD刀具、PCBN刀具基本上各占1/2，而市場份額為美國市場、亞太市場、歐洲市場各占1/3。兩種刀具的潛在市場銷售總量將會(huì)超過15億美元。開展高性能PCD、PCBN刀坯材料的研究與開展精密PCD、PCBN刀具制造技術(shù)及其應(yīng)用研究是超硬材料刀具發(fā)展的必由之路[5]。

       隨著制造技術(shù)和難加工材料的發(fā)展，推動(dòng)著刀具技術(shù)向著高速切削、高精度和硬態(tài)干式切削的方向發(fā)展，能實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工的超硬刀具日漸普及[16]，在汽車、航天航空、能源、軍工、機(jī)械等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。超硬刀具符合現(xiàn)代高速、高效、高穩(wěn)定性、低成本以及低碳環(huán)保的要求，是一種理想的綠色切削刀具。

       近幾年，隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)的提高，人們開始關(guān)注切削液的整個(gè)生命周期帶來的一系列負(fù)面作用，為了消除切削液的不良影響，最理想有效的加工方式就是干式切削，它在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家有了相當(dāng)好的應(yīng)用[17，18]。

       PCD、PCBN超硬刀具作為現(xiàn)代切削加工中的重要手段，在加工精度、切削效率、刀具壽命等各方面具有無可比擬的優(yōu)越性，這類刀具的推廣和應(yīng)用可創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，大力發(fā)展新切削技術(shù)和超硬刀具材料，將促使我國現(xiàn)代制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[19]。

4.高速CBN砂輪與綠色加工

       環(huán)境、資源是當(dāng)今社會(huì)面臨的重大問題。實(shí)現(xiàn)節(jié)資增效、減少廢物排放，建立生產(chǎn)、消費(fèi)與環(huán)境、資源相互協(xié)調(diào)發(fā)展模式已成為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。綠色制造是21世紀(jì)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式和重要特征[6]。

       加快發(fā)展各種綠色加工技術(shù)，對(duì)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源和資源，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的現(xiàn)代化、綠色化及可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。綠色加工是指在不犧牲產(chǎn)品的質(zhì)量、成本、可靠性、功能和能量利用的前提下，充分利用資源，盡量減輕加工過程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生有害影響，其內(nèi)涵是指節(jié)約原材料和能源，縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境三者之間協(xié)調(diào)、優(yōu)化的可持續(xù)發(fā)展。在制造業(yè)實(shí)施綠色加工已勢在必行[7]。

       自上世紀(jì)90年代以來，隨著高速、超高速數(shù)控磨床的出現(xiàn)，高速CBN砂輪更大有用武之地，取代了普通剛玉砂輪，CBN砂輪是一種具有高精度、高效率、低消耗、低生產(chǎn)成本、低污染、自動(dòng)化程度高等優(yōu)異性能磨具，是現(xiàn)代先進(jìn)磨加工工具的發(fā)展方向[8]。

       汽車行業(yè)是高速CBN砂輪應(yīng)用的主要領(lǐng)域，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件凸輪軸和曲軸的加工。普通剛玉磨料砂輪的性能很難適應(yīng)高效加工的要求，耐用度和使用壽命低，需要頻繁修整和更換，砂輪用量大，同時(shí)由此產(chǎn)生含有大量剛玉磨料的磨削殘物，增加了磨削液的過濾清理量，對(duì)環(huán)境造成一定的污染，而且加大了磨屑回收利用難度。由于剛玉系列的磨料在資源、能源上的巨大消耗，加劇了其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的不利影響。而高速CBN磨削技術(shù)的應(yīng)用，可使傳統(tǒng)磨削過程中的產(chǎn)生的資源、能源、環(huán)境難題迎刃而解。它代表了當(dāng)今世界磨具產(chǎn)品發(fā)展的一個(gè)主要方向，是實(shí)現(xiàn)綠色加工目標(biāo)的有效手段，促進(jìn)綠色制造發(fā)展的利器。

5.為光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做貢獻(xiàn)

       太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是世界上發(fā)展速度最快的行業(yè)之一，為實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，世界各國均將太陽光伏發(fā)電作為新能源和可再生能源發(fā)展的重點(diǎn)。

       最近，世界各國已經(jīng)普遍將可再生能源的開發(fā)提高到戰(zhàn)略地位，其中綠色光伏發(fā)電技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展重中之重。這無疑源于兩方面：(1)太陽能資源的取之不盡，用之不竭，隨處可開發(fā)利用；(2)光伏發(fā)電技術(shù)對(duì)環(huán)境保護(hù)的積極作用[9]。

       光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體面的光生伏特效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿募夹g(shù)。該技術(shù)的推廣應(yīng)用將擺脫傳統(tǒng)發(fā)電方式對(duì)煤炭能源的依賴。

       世界光伏產(chǎn)業(yè)和市場的蓬勃發(fā)展，使得光伏發(fā)電在世界能源消費(fèi)中占據(jù)了越來越重要的地位。根據(jù)歐盟聯(lián)合研究中心的預(yù)測，太陽能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。

       盡管各種新概念太陽能電池不斷涌現(xiàn)，效率也不斷攀升，但現(xiàn)階段進(jìn)入民用領(lǐng)域的太陽能電池主要是晶體硅太陽能電池，占目前產(chǎn)量的90%以上，并且可以確定這種情況短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生根本改變。

       用硅晶片所生產(chǎn)的太陽電池可直接把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，是人類開拓新能源的一個(gè)偉大變革。單晶硅是一種比較活潑的非金屬元素，具有基本完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的晶體。是一良好的半導(dǎo)體材料。純度要求達(dá)到99.9999%，用于制造光伏太陽電池等。

       單晶硅的制法通常是先得多晶硅或無定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。

       多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來，就結(jié)晶成多晶硅。單晶硅和多晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。

       單晶硅、多晶硅制成硅片是一個(gè)重要的過程，包括：(1)晶體培育；(2)切片(線切割)；(3)整平(研磨或磨削)；(4)標(biāo)記；(5)拋光；(6)清洗。它對(duì)硅片性能和光電轉(zhuǎn)換效率有重要影響。

       光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為我國金剛石工具制造業(yè)帶來又一巨大商機(jī)。從最近收集到的江西金葵能源科技有限公司，采用世界最先進(jìn)的金剛石線鋸切割技術(shù)試切割生產(chǎn)太陽能單晶硅片取得成功。指出，比傳統(tǒng)的砂漿切割技術(shù)整整快了3倍，而其消耗的水電則比傳統(tǒng)的砂漿切割技術(shù)減少了三分之二，并且切割后產(chǎn)生的硅粉可以全部回收使用，可謂既節(jié)能又環(huán)保，對(duì)于提升國內(nèi)同行業(yè)水平意義深遠(yuǎn)[10]。

       證券時(shí)報(bào)稱，豫金剛石進(jìn)軍光伏加工領(lǐng)域，因?yàn)楣杵懈钍翘柲芄夥姵刂圃旃に囍械年P(guān)鍵部分。金剛石切割線以其高效率、壽命長的優(yōu)勢，能夠幫助下游企業(yè)有效降低成本。目前，海外已有金剛石切割線大規(guī)模應(yīng)用的先例，日本金剛石工具龍頭企業(yè)Asahi Diamond于2006年推出金剛石線產(chǎn)品，2009年就在日本市場和臺(tái)灣市場實(shí)現(xiàn)大規(guī)模銷售[11]。

       豫金剛石計(jì)劃在一年半的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行該項(xiàng)目的投產(chǎn)，產(chǎn)能將達(dá)到生產(chǎn)0.33mm光伏金剛石線1.44萬km/年，用于切割硅錠；0.12mm金剛石線13.2萬km/年，用于切割硅片等信息就是佐證！

6.為電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展獻(xiàn)技

       電子信息產(chǎn)業(yè)已發(fā)展成為我國國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的第一大支柱產(chǎn)業(yè)，而電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)是集成電路(IC)產(chǎn)業(yè)。目前95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路(IC)是用硅材料制作的，因此硅材料生產(chǎn)及其加工在半導(dǎo)體和集成電路生產(chǎn)中具有重大作用和地位。

       硅屬于非常堅(jiān)硬的硬脆材料，又是良好的半導(dǎo)體材料，在晶圓(芯片)加工中，在不同環(huán)節(jié)，必須多次使用金剛石工具進(jìn)行高精密加工，見下表。

半導(dǎo)體晶圓(芯片)加工應(yīng)用的金剛石工具

       半導(dǎo)體加工用金剛石工具屬于高精度加工工具，采用超細(xì)金剛石、超薄的切割刃、超高轉(zhuǎn)速磨削與鋸切，要求加工精度高，因此制造難度大，技術(shù)門檻高，目前主要為國外金剛石工具制造商所控制，這給我國金剛石工具制造者提出了新的任務(wù)、新的課題、新的方向[12]。