1.引言

       綠色制造是低碳、低能耗、低污染、低排放為基礎的制造模式。其實質是能源高效利用、開發清潔能源、追求綠色GDP的問題。核心是能源技術和減排技術創新、產業結構和制度創新和人類生產發展觀念的根本性轉變。這是時代賦予我們的崇高使命和頭等重要任務。作為科學技術工作者，特別是作為超硬材料制品研發與生產的科學技術工作者，應該積極主動地獻身于這場偉大的技術變革中去，讓其他材料無可比擬的超硬材料大顯神威。

       關于綠色制造與超硬制品的開發應用這個議題中，應從兩個方面去闡述，一是超硬材料工具在制造過程中如何實現自身的低碳綠色與節能減排；二是超硬材料工具在為促進現代工業各領域實現低碳綠色與節能減排中起著重要的技術支撐的作用。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境下經歷億萬年而生成的一種可燃氣體，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是一種清潔環保能源。有人預測，2020年后天然氣將超過石油和煤炭成為一次能源消費中的主體。而在中國天然氣在一次能源中所占比例目前只有3.8%，發展空間巨大。

       在淺層油氣資源經過近百年的不斷開采，儲量越來越少，和全球經濟發展對油氣資源的依賴程度越來越嚴重的雙重壓力下，人們不斷探索更深地層儲藏石油天然氣的可能性。隨著科學技術的進步和人們對深地層地質構造認識的不斷深入，在越來越深的地層中發現并開采石油天然氣資源已經成為一個現實的科學問題。

       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今人類面臨的共同挑戰。在人們發展的新技術中，二氧化碳的地質封存和二氧化碳驅油采油就是一種新的減排方法。有關專家估計，這些存于地下的二氧化碳，再經過2000多年逐漸溶于巖層，而形成新的礦物質。

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

       這種綠色采油技術在美國已經得到廣泛應用。據有關資料顯示，2008年美國利用二氧化碳驅采出的原油達到1.14億噸。

       據有關專家估計，從中國的油氣地質情況出發，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達到開采低碳石油的水平。根據我國目前探明的石油地質儲量，適合二氧化碳開采的低滲透油層地質儲量為63億噸，在深部地層具有巨大的開采原油的潛力，同時也有巨大封存二氧化碳的潛力。

       天然氣井的勘探與開發，單井投資巨大，鉆井深度深，工期長，技術難度高。而人造金剛石的耐磨性遠遠高于硬質合金，將其應用到石油鉆頭，會使整個鉆井技術帶來質的飛躍[1]。應用先進的PDC鉆頭取代傳統的硬質合金牙輪鉆頭，可加快鉆進速度，減少鉆井工時和成本，盡可能實現綠色鉆井?，F在的問題是用國產的PDC鉆頭，井深3000～4000m尚可，而大于5000m的深海鉆井就得用進口的鉆頭。因此，我國在“十二五”期間應加大對PDC及其原材料的研發力度，制造出井深在5000米以上的深海PDC鉆頭，是我們為之努力奮斗的目標。

3.超硬刀具與綠色切削

       國外高速切削刀具技術發展與應用歷史證明，由于以PCD和PCBN刀具為代表的超硬刀具具有比硬質合金、陶瓷刀具更高的硬度和更優良的耐磨性，能適應更高的切削速度、更明顯體現了現代先進切削技術的“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，代表了現代高效高速切削刀具的發展方向[2]。

       由于超硬刀具“以車代磨”、“硬態加工”和“干式切削”等先進切削工藝技術的應用，避免了切(磨)削液、切(磨)削屑對環境的污染，可實現清潔化生產。因此，超硬刀具高速切削技術被公認為二十一世紀高效、綠色環保和資源、能源節約型加工工具。

       硬態切削是指采用單刃或多刃刀具對淬硬零件進行切削加工，是一種“以切代磨”的新工藝，也是高速切削技術的一個新的應用領域。與傳統磨削加工相比，高速硬切削具有效率高、柔性好、無切削液對環境的污染、工序少、投資省等優點[3]。

       根據綠色制造“節約能源、節約資源、污染最小、有利環保”的指導思想，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達國家有了相當好的應用。

       在加工含硅高的鋁、鎂合金材料時，硬質合金刀具壽命太低難以勝任，PCD刀具的耐用度是硬質合金的10～50倍，可保證零件的尺寸穩定性，并可大大提高切削速度、加工效率和加工質量，充分體現了其低碳經濟的發展方向。

       據報道，日本PCD、PCBN刀具年產值占其國內各類刀具總產值的4%左右、美國占4.14%、俄羅斯占6%～7%(俄羅斯缺鎢，硬質合金刀具用量較少，PCBN刀具用量大)[4]。而目前我國PCD、PCBN切削刀具年產量僅40萬把左右，銷售額不到2億元，約為國內各類刀具總產值的0.5%左右，仍有2/3的PCD、PCBN刀具市場為進口產品，國產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口產品，因此，我國PCD、PCBN刀具發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刀具制造技術及其應用研究是超硬材料刀具發展的必由之路[5]。

       隨著制造技術和難加工材料的發展，推動著刀具技術向著高速切削、高精度和硬態干式切削的方向發展，能實現高效率、高穩定性、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、機械等領域發揮重要作用。超硬刀具符合現代高速、高效、高穩定性、低成本以及低碳環保的要求，是一種理想的綠色切削刀具。

       近幾年，隨著社會對環境保護和可持續發展意識的提高，人們開始關注切削液的整個生命周期帶來的一系列負面作用，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，它在西方工業發達國家有了相當好的應用[17，18]。

       PCD、PCBN超硬刀具作為現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越性，這類刀具的推廣和應用可創造巨大的經濟效益，大力發展新切削技術和超硬刀具材料，將促使我國現代制造業的進一步發展[19]。

4.高速CBN砂輪與綠色加工

       環境、資源是當今社會面臨的重大問題。實現節資增效、減少廢物排放，建立生產、消費與環境、資源相互協調發展模式已成為人類社會可持續發展的必由之路。綠色制造是21世紀制造業的可持續發展模式和重要特征[6]。

       加快發展各種綠色加工技術，對保護環境、節約能源和資源，實現制造業的現代化、綠色化及可持續發展有重要的意義。綠色加工是指在不犧牲產品的質量、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環境產生有害影響，其內涵是指節約原材料和能源，縮短生產周期、降低生產成本，提高企業的經濟效益，實現經濟、社會和環境三者之間協調、優化的可持續發展。在制造業實施綠色加工已勢在必行[7]。

       自上世紀90年代以來，隨著高速、超高速數控磨床的出現，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、低生產成本、低污染、自動化程度高等優異性能磨具，是現代先進磨加工工具的發展方向[8]。

       汽車行業是高速CBN砂輪應用的主要領域，特別是發動機的關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，同時由此產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，對環境造成一定的污染，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，加劇了其對環境產生的不利影響。而高速CBN磨削技術的應用，可使傳統磨削過程中的產生的資源、能源、環境難題迎刃而解。它代表了當今世界磨具產品發展的一個主要方向，是實現綠色加工目標的有效手段，促進綠色制造發展的利器。

5.為光伏產業的發展做貢獻

       太陽能光伏產業是世界上發展速度最快的行業之一，為實現能源和環境可持續發展，世界各國均將太陽光伏發電作為新能源和可再生能源發展的重點。

       最近，世界各國已經普遍將可再生能源的開發提高到戰略地位，其中綠色光伏發電技術已成為實現可持續發展重中之重。這無疑源于兩方面：(1)太陽能資源的取之不盡，用之不竭，隨處可開發利用；(2)光伏發電技術對環境保護的積極作用[9]。

       光伏發電是利用半導體面的光生伏特效應，將光能直接轉變為電能的技術。該技術的推廣應用將擺脫傳統發電方式對煤炭能源的依賴。

       世界光伏產業和市場的蓬勃發展，使得光伏發電在世界能源消費中占據了越來越重要的地位。根據歐盟聯合研究中心的預測，太陽能光伏發電在不遠的將來不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主體。

       盡管各種新概念太陽能電池不斷涌現，效率也不斷攀升，但現階段進入民用領域的太陽能電池主要是晶體硅太陽能電池，占目前產量的90%以上，并且可以確定這種情況短期內不會發生根本改變。

       用硅晶片所生產的太陽電池可直接把太陽能轉化為電能，是人類開拓新能源的一個偉大變革。單晶硅是一種比較活潑的非金屬元素，具有基本完整的點陣結構的晶體。是一良好的半導體材料。純度要求達到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熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。

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

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

       光伏產業的發展，為我國金剛石工具制造業帶來又一巨大商機。從最近收集到的江西金葵能源科技有限公司，采用世界最先進的金剛石線鋸切割技術試切割生產太陽能單晶硅片取得成功。指出，比傳統的砂漿切割技術整整快了3倍，而其消耗的水電則比傳統的砂漿切割技術減少了三分之二，并且切割后產生的硅粉可以全部回收使用，可謂既節能又環保，對于提升國內同行業水平意義深遠[10]。

       證券時報稱，豫金剛石進軍光伏加工領域，因為硅片切割是太陽能光伏電池制造工藝中的關鍵部分。金剛石切割線以其高效率、壽命長的優勢，能夠幫助下游企業有效降低成本。目前，海外已有金剛石切割線大規模應用的先例，日本金剛石工具龍頭企業Asahi Diamond于2006年推出金剛石線產品，2009年就在日本市場和臺灣市場實現大規模銷售[11]。

       豫金剛石計劃在一年半的時間內進行該項目的投產，產能將達到生產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.為電子信息產業的發展獻技

       電子信息產業已發展成為我國國民經濟與社會發展的第一大支柱產業，而電子信息產業的基礎產業是集成電路(IC)產業。目前95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路(IC)是用硅材料制作的，因此硅材料生產及其加工在半導體和集成電路生產中具有重大作用和地位。

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

半導體晶圓(芯片)加工應用的金剛石工具

       半導體加工用金剛石工具屬于高精度加工工具，采用超細金剛石、超薄的切割刃、超高轉速磨削與鋸切，要求加工精度高，因此制造難度大，技術門檻高，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、新的課題、新的方向[12]。