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摘 要 文章介绍了我国超硬材料生产规模壮大的发展历程,国产两面钻等生产工具、生产技术的发展成果和发展趋势。并论述了纳米金刚石产业的全面状况,以及超硬材料在高新科技中的使用。
关键词 超硬材料;飞速发展;方向;阔步前进
中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1671—7597(2013)041-004-02
数十年之前,我国一些专家成功研制成第一颗人造金刚石,并一度在我国引起了巨大的轰动。在数十年的艰苦奋斗下,一些超硬材料和制品产业既庞大又比较完整,而且还是我国自发研制的。几十年的历史经验告诉我们,这些年的探索对中国超硬材料工业的发展而言,是极其宝贵的财富。下面就简述一下中国产硬材料的发展情况。
1 生产规模迅速壮大
20世纪70年代中期,由济南铸造锻压机械研究所和郑州磨料磨具磨削研究所一起研制了我国有史以来第一台人造金刚石专用压机,它是铰链式“六面钻”,接下来一年,又被应用到金刚石加工技术的实验中,这使得高压腔的密封问题得到了很好地改进,从而使我国在工业化装备基础方面有了较强的实力。该行业的今天离不开“六面钻”压机。而使得人造金刚石生产技术进步的关键及标志则为大型化的高压高温装置和超高压腔体容积的扩大。
2 国产两面钻的迅速崛起
目前,世界上许多国家为使得超硬材料的合成更好地利用高温高压技术,其采用的设备有很多,其中较为典型的主要有两面钻、六面钻等。两面钻式的金刚石专用压机的高程冲压比较合理,压力性能稳定,重复合成性较好。所以,它能够使得合成腔体内的温度和压力场保持不变,在合成高品级和高性能金刚石方面的应用是相当广泛的。鉴于此种原因,北美和欧洲等许多国家多采用两面钻合成人造金刚石技术来生产超硬材料。此工艺技术的特点有技术密集和资本密集,这主要在美英等国广泛采用。
正是由于两面钻在合成技术上具有上述优势,所以,我国从20世纪70年代就逐渐引进了两面钻装备,据统计有40多台,耗费金额巨大,多达2亿美金。但是,我们在引进这种合成技术时并未花时间去研究它,加之原材料几乎完全依赖进口,这无异于让别人牵着我们的鼻子走路,处处受人左右,致使金刚石合成专用压机的使用价值在我国也就很难得到充分发挥。
地質部地质科学研究院(即为后来的人工晶体研究所)最早研制了两面钻合成技术,而现如今,我们国家使用两面钻设备制造人造金刚石及其新品种研究的企业并不多,其中在国内具有较大影响力的有艺精长运超硬材料有限公司,2001年5月,该企业确立了“3000吨两面钻生产人在金刚石及复合片的科技研究”工程项目,在这之后的两年间,全体员工花费极大的心血,终于在2003年4月,国防科工委验宣布这个项目取得了圆满成功。
3 超硬材料机械加工的发展
超硬材料的机械加工是目前国际世界普遍应用的比较传统的加工技术。超硬材料的机械加工工艺主要是指切削加工工艺和磨削加工工艺。最近这些年,我们国家对超硬材料机械加工工艺的科学研究,重点放在了超硬材料的去除机理和超硬材料加工的新工艺方面。
3.1 磨削加工技术
从世界角度来看,超硬材料磨削技术的发展方向是超硬磨料+高效磨削工艺+CNC磨床系统。日本研制的超高速Vs=160 m/s~260 m/s外圆磨床,使用CBN砂轮,获得圆度误差为1 um,表面粗糙度Rzl.2 um的磨削效果。精密加工当前是指被加工零件的加工精度为1 um~0.l um,表面粗糙度值Ra介于0.2 um~0.01 um的加工技术。
3.2 切削加工技术
切削加工技术具有加工形状非常精确,加工效率较高等特征。不过,切削加工技术对机床的精度提出很大的挑战。超硬材料切削加工技术的发展,主要表现在刀具材料和现代切削技术的进步。
3.2.1 刀具材料及其发展
世界最先进技术的刀具材料具有高可靠性、高强度和高抗热震性等特征,是我国今后高速切削刀具材料研制开发的重点。纳米复合与涂层,剃度功能和多种增韧补强机制协同作用的切削刀具材料的研究、开发与推广,将是超硬材料切削刀具的发展方向。
3.2.2 新型切削技术的进展
当前切削加工工艺的主流技术是高速切削和精密切削。高速切削的主要内容有高速软切削、高速硬切削、高速干切削和大进给切削。使用金刚石刀具对材料进行超精密切削料,过去只能够加工铜和铝,以及合金等有色金属组成的材料。现在已经可以加工塑料、陶瓷,以及复合材料等多种物品。在操作车间,为了切除材料的极薄切屑,这就要求金刚石切削刀具的刃口半径P非常细小。
4 纳米金刚石产业全面发展
纳米材料与纳米科技已经诞生多年了,主要经过了材料创新和性能开发阶段,工艺完善和全面应用阶段。笔者深信,纳米技术具有远大的前景。纳米材料意味着材料性能的发掘程度达到了一个新的水平。该技术完全革新了以往使用的材料,又相继研制出了多种新型产品。其使用的范围非常大。故而,自从纳米材料诞生以来,就一直受到材料界的广泛欢迎,这主要就是因为其独特的性能。在种类齐全的纳米产品中,纳米金刚石会迎来较好的发展势头。它的优点极为明显:1)它和金刚石一样在机械物理方面的性能较好。2)符合小尺寸效应、量子尺寸效应等,因此,它和以往使用的原料有着明显的差别,而正是这种区别使其在研究前技术方面具有先天的优势。
20世纪90年代末,世界两个大国——美苏在纳米金刚石研究方面,几乎在同一时间,捷报频传。而在其后的数年间,我国中科院兰州化学物理研究所也成功研制出了纳米金刚石,使用的是炮轰法。后来,北京理工大学等也先后参与了这方面的研究工作。与国外相比,虽然我们起步较晚,但发展速度却很快,这推动了我国在纳米金刚石爆轰合成技术方面的进步,还有利于其产业化经营和应用领域的拓展。最近几年,西安交通大学、清华大学等高校联合相关纳米金刚石生产企业,研究了纳米金刚石的应用领域,并取得了良好的成效。 纳米金刚石具有高硬度、强的耐磨性和超润滑性,这主要是因为其所具有的球形或准球形的形状。因此,其应用较多的领域主要是增強、抛光、润滑和镀附等。21世纪初,年产约为1000万克拉的生产线在我国甘肃和广东一些县市开始建设。此外,其他研究所和公司也有小规模生产,这一切意味着我国纳米金刚石在科研、生产、应用等领域已经步入全面发展阶段。
5 超硬材料在高新科技中的使用
5.1 光伏行业中的使用
超硬材料在光伏中的应用就是硅晶片,这种硅晶片制作的太阳能电池可以把光能直接转变成清洁能源电能,是利用天然太阳能进行发电。光伏发电对中国发展低碳、低污染的新型经济,推广新型能源科技具有重要的现实意义。目前,中国已经制订了大力推广“太阳能屋顶计划”的经济支持政策,力争使清洁的太阳能作为中国的重要能源之一。太阳能光伏行业的核心科技就是太阳能的电池材料,主要涉及单晶硅和多晶硅的切片技术。硅是一种高、硬、脆材料,切割成片需要经过一种特殊的金刚石工具,例如金刚石线锯和与其配套的切割设备。金刚石线锯的制造有很多方法,如机械碾压法、钎焊法,树脂粘结法,电镀法。中国研究和使用较多的是电镀法,是因为它比较经济有效。电镀法的制作程序:镀前预处理—上砂—加厚—后处理。其中最难的主要科技是上砂法。上砂法也有很多种:主要有埋砂法、落砂法,以及刷镀法。关于金刚石线锯,中国这些年研究的单位很多,发展速度很快,但是仍然处于起步阶段,与发达国家相比还有很大的差距,需进行不断地改进。光伏行业这个市场潜力巨大,中国应逐步推广应用太阳能的科学技术。
太阳能光伏行业是世界上发展速度最快的产业之一。为了实现能源的清洁生产,对环境进行保护,世界各国都把利用太阳能进行光伏发电当作新能源与可再生能源的主要途径,光伏行业的产生和发展,对我国金刚石工具的生产来说是巨大的商业机会。最近几年,我国太阳能光伏行业遭到世界金融危机的不利影响,美国又针对中国光伏产品进行“反倾销,反外贴”的司法诉讼,这些使我国光伏产业的各个生产环节受到很大的损失,但是,光伏产业仍然具有很大的发展前景。
5.2 半导体材料中的使用
随着科技进步,半导体技术的发展逐渐臻于完善、成熟。这些对集成电路用的硅片的加工技术要求更高,需要技术上的支持。晶圆切片加工的特点之一是,精密切割缝宽的误差不能超出5 um,而切缝必须要小于5 um,速度则需要高于30000 vpm -45000 vpm。为了使硅片可以在计算机、集成电路中应用,芯片必须微型化、高密度化和数字化,而且对芯片的直径平坦化有更严格的要求。要降低硅片加工中发生的一些崩边现象,必须提高材料的利用效率,硅片的切割一般应使用超薄片。
5.3 金刚石在热管理材料中的使用
目前金刚石作为热管理材料,早已被科技人员当做电子工业的非常理想的散热材料。把金刚石与铜、铝等金属材料复合就可以获得比较高的导热效率,以及可调节的膨胀系数,完全可以满足系统散热和组装工艺的严格要求。目前,国内外研发热管理材料的焦点都集中在碳纤维和金刚石的研究上,已经取得非常大的进展。
6 结束语
当今世界科技飞速发展,日新月异,经济形势曲折动荡。国内外的市场经济竞争异常激烈,原材料不断价格上扬,劳动力的成本上升较快,人民币进一步升值,企业的生存压力逐渐增加。节能减排,发展绿色环保、低消耗的绿色经济是中国面临的巨大任务,这些对抗风险能力差的中小企业来说,是一个非常严峻的考验。企业家自身的经营理念与社会价值观也需要转变,要促使企业转型,不断进行技术升级,不能抱着廉价的普通消费品不放;要有自主创新的经营意识,有自己特色的企业产品,拥有特殊的技术、人才,特殊的销售能力;要摸清市场状况,需求市场经济规律,分析企业产品畅销和滞销的深层次原因,才能做到心中有数,寻找突破口;要有敏锐的战略发展眼光,更好地争取机会,获取及时的信息,抢占市场的发展先机。
在当前的世界形势下,我们只有化挑战为机遇,才能抓住机会,谋求更大的发展空间。在这数十年的发展中,我们取得了辉煌的成绩;面向未来,挑战与机遇并存,我们信心百倍。我们要以自强不息、勇为人先的精神为我国超硬材料工业的健康运行做出新的、更大的贡献。我们还要以知难而进的精神,打造我们自己的品牌,实现超硬材料生产强国的目标。我们相信,只要我们付出更大的努力,才能使我国超硬材料工业始终处于国际强国的地位。
参考文献
[1]赵博,宜云雷,李志宏.超硬材料行业经济运行形势分析及对未来发展的思考——又创新记录、再攀新高峰[J].金刚石与磨料磨具工程,2009(04).
[2]姚裕成,熊文松,莫文裔.我国超硬材料的历史、现状与未来[J].硅酸盐通报,2010(02).
[3]章兼植,吕智.我国超硬材料制品发展战略的几点思考[J].矿产与地质,2000(02).
[4]方啸虎,郑日升,彭国强,涂建民.超硬材料行业当前形势与对策[J].超硬材料工程,2006(01).
[5]余东满,高志华,李晓静,王笛.超硬刀具材料的发展与应用[J].新技术新工艺,2010(11).
[6]瞿铭.超硬材料行业今后发展应注意的几个问题(2006年南岳会议的总结)[J].超硬材料工程,2006(05).
[7]方啸虎.小压机(直径为280-310毫米)实现大腔体(直径为25-28毫米)生产人造金刚石研究与应用[C].二十世纪中国超硬材料会议论文集,2006,5:108-118.
[8] 张相法.我国CBN合成技术的进展[C].第十届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集,2008,8:43-47.
[9]张相法,李刚,王光祖.六方氮化硼结晶度对立方氮化硼合成的影响[C].第十届全国高压学术讨论会论文集,2007:16.
[10]王光祖.粉状触媒的技术特性及其对金刚石合成的影响,国际超硬材料及制品研讨会论文集,2008:l00-104.
作者简介
李超杰(1972-),男,中国人民大学经济学硕士,单位:郑州磨料磨具磨削研究所。
关键词 超硬材料;飞速发展;方向;阔步前进
中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1671—7597(2013)041-004-02
数十年之前,我国一些专家成功研制成第一颗人造金刚石,并一度在我国引起了巨大的轰动。在数十年的艰苦奋斗下,一些超硬材料和制品产业既庞大又比较完整,而且还是我国自发研制的。几十年的历史经验告诉我们,这些年的探索对中国超硬材料工业的发展而言,是极其宝贵的财富。下面就简述一下中国产硬材料的发展情况。
1 生产规模迅速壮大
20世纪70年代中期,由济南铸造锻压机械研究所和郑州磨料磨具磨削研究所一起研制了我国有史以来第一台人造金刚石专用压机,它是铰链式“六面钻”,接下来一年,又被应用到金刚石加工技术的实验中,这使得高压腔的密封问题得到了很好地改进,从而使我国在工业化装备基础方面有了较强的实力。该行业的今天离不开“六面钻”压机。而使得人造金刚石生产技术进步的关键及标志则为大型化的高压高温装置和超高压腔体容积的扩大。
2 国产两面钻的迅速崛起
目前,世界上许多国家为使得超硬材料的合成更好地利用高温高压技术,其采用的设备有很多,其中较为典型的主要有两面钻、六面钻等。两面钻式的金刚石专用压机的高程冲压比较合理,压力性能稳定,重复合成性较好。所以,它能够使得合成腔体内的温度和压力场保持不变,在合成高品级和高性能金刚石方面的应用是相当广泛的。鉴于此种原因,北美和欧洲等许多国家多采用两面钻合成人造金刚石技术来生产超硬材料。此工艺技术的特点有技术密集和资本密集,这主要在美英等国广泛采用。
正是由于两面钻在合成技术上具有上述优势,所以,我国从20世纪70年代就逐渐引进了两面钻装备,据统计有40多台,耗费金额巨大,多达2亿美金。但是,我们在引进这种合成技术时并未花时间去研究它,加之原材料几乎完全依赖进口,这无异于让别人牵着我们的鼻子走路,处处受人左右,致使金刚石合成专用压机的使用价值在我国也就很难得到充分发挥。
地質部地质科学研究院(即为后来的人工晶体研究所)最早研制了两面钻合成技术,而现如今,我们国家使用两面钻设备制造人造金刚石及其新品种研究的企业并不多,其中在国内具有较大影响力的有艺精长运超硬材料有限公司,2001年5月,该企业确立了“3000吨两面钻生产人在金刚石及复合片的科技研究”工程项目,在这之后的两年间,全体员工花费极大的心血,终于在2003年4月,国防科工委验宣布这个项目取得了圆满成功。
3 超硬材料机械加工的发展
超硬材料的机械加工是目前国际世界普遍应用的比较传统的加工技术。超硬材料的机械加工工艺主要是指切削加工工艺和磨削加工工艺。最近这些年,我们国家对超硬材料机械加工工艺的科学研究,重点放在了超硬材料的去除机理和超硬材料加工的新工艺方面。
3.1 磨削加工技术
从世界角度来看,超硬材料磨削技术的发展方向是超硬磨料+高效磨削工艺+CNC磨床系统。日本研制的超高速Vs=160 m/s~260 m/s外圆磨床,使用CBN砂轮,获得圆度误差为1 um,表面粗糙度Rzl.2 um的磨削效果。精密加工当前是指被加工零件的加工精度为1 um~0.l um,表面粗糙度值Ra介于0.2 um~0.01 um的加工技术。
3.2 切削加工技术
切削加工技术具有加工形状非常精确,加工效率较高等特征。不过,切削加工技术对机床的精度提出很大的挑战。超硬材料切削加工技术的发展,主要表现在刀具材料和现代切削技术的进步。
3.2.1 刀具材料及其发展
世界最先进技术的刀具材料具有高可靠性、高强度和高抗热震性等特征,是我国今后高速切削刀具材料研制开发的重点。纳米复合与涂层,剃度功能和多种增韧补强机制协同作用的切削刀具材料的研究、开发与推广,将是超硬材料切削刀具的发展方向。
3.2.2 新型切削技术的进展
当前切削加工工艺的主流技术是高速切削和精密切削。高速切削的主要内容有高速软切削、高速硬切削、高速干切削和大进给切削。使用金刚石刀具对材料进行超精密切削料,过去只能够加工铜和铝,以及合金等有色金属组成的材料。现在已经可以加工塑料、陶瓷,以及复合材料等多种物品。在操作车间,为了切除材料的极薄切屑,这就要求金刚石切削刀具的刃口半径P非常细小。
4 纳米金刚石产业全面发展
纳米材料与纳米科技已经诞生多年了,主要经过了材料创新和性能开发阶段,工艺完善和全面应用阶段。笔者深信,纳米技术具有远大的前景。纳米材料意味着材料性能的发掘程度达到了一个新的水平。该技术完全革新了以往使用的材料,又相继研制出了多种新型产品。其使用的范围非常大。故而,自从纳米材料诞生以来,就一直受到材料界的广泛欢迎,这主要就是因为其独特的性能。在种类齐全的纳米产品中,纳米金刚石会迎来较好的发展势头。它的优点极为明显:1)它和金刚石一样在机械物理方面的性能较好。2)符合小尺寸效应、量子尺寸效应等,因此,它和以往使用的原料有着明显的差别,而正是这种区别使其在研究前技术方面具有先天的优势。
20世纪90年代末,世界两个大国——美苏在纳米金刚石研究方面,几乎在同一时间,捷报频传。而在其后的数年间,我国中科院兰州化学物理研究所也成功研制出了纳米金刚石,使用的是炮轰法。后来,北京理工大学等也先后参与了这方面的研究工作。与国外相比,虽然我们起步较晚,但发展速度却很快,这推动了我国在纳米金刚石爆轰合成技术方面的进步,还有利于其产业化经营和应用领域的拓展。最近几年,西安交通大学、清华大学等高校联合相关纳米金刚石生产企业,研究了纳米金刚石的应用领域,并取得了良好的成效。 纳米金刚石具有高硬度、强的耐磨性和超润滑性,这主要是因为其所具有的球形或准球形的形状。因此,其应用较多的领域主要是增強、抛光、润滑和镀附等。21世纪初,年产约为1000万克拉的生产线在我国甘肃和广东一些县市开始建设。此外,其他研究所和公司也有小规模生产,这一切意味着我国纳米金刚石在科研、生产、应用等领域已经步入全面发展阶段。
5 超硬材料在高新科技中的使用
5.1 光伏行业中的使用
超硬材料在光伏中的应用就是硅晶片,这种硅晶片制作的太阳能电池可以把光能直接转变成清洁能源电能,是利用天然太阳能进行发电。光伏发电对中国发展低碳、低污染的新型经济,推广新型能源科技具有重要的现实意义。目前,中国已经制订了大力推广“太阳能屋顶计划”的经济支持政策,力争使清洁的太阳能作为中国的重要能源之一。太阳能光伏行业的核心科技就是太阳能的电池材料,主要涉及单晶硅和多晶硅的切片技术。硅是一种高、硬、脆材料,切割成片需要经过一种特殊的金刚石工具,例如金刚石线锯和与其配套的切割设备。金刚石线锯的制造有很多方法,如机械碾压法、钎焊法,树脂粘结法,电镀法。中国研究和使用较多的是电镀法,是因为它比较经济有效。电镀法的制作程序:镀前预处理—上砂—加厚—后处理。其中最难的主要科技是上砂法。上砂法也有很多种:主要有埋砂法、落砂法,以及刷镀法。关于金刚石线锯,中国这些年研究的单位很多,发展速度很快,但是仍然处于起步阶段,与发达国家相比还有很大的差距,需进行不断地改进。光伏行业这个市场潜力巨大,中国应逐步推广应用太阳能的科学技术。
太阳能光伏行业是世界上发展速度最快的产业之一。为了实现能源的清洁生产,对环境进行保护,世界各国都把利用太阳能进行光伏发电当作新能源与可再生能源的主要途径,光伏行业的产生和发展,对我国金刚石工具的生产来说是巨大的商业机会。最近几年,我国太阳能光伏行业遭到世界金融危机的不利影响,美国又针对中国光伏产品进行“反倾销,反外贴”的司法诉讼,这些使我国光伏产业的各个生产环节受到很大的损失,但是,光伏产业仍然具有很大的发展前景。
5.2 半导体材料中的使用
随着科技进步,半导体技术的发展逐渐臻于完善、成熟。这些对集成电路用的硅片的加工技术要求更高,需要技术上的支持。晶圆切片加工的特点之一是,精密切割缝宽的误差不能超出5 um,而切缝必须要小于5 um,速度则需要高于30000 vpm -45000 vpm。为了使硅片可以在计算机、集成电路中应用,芯片必须微型化、高密度化和数字化,而且对芯片的直径平坦化有更严格的要求。要降低硅片加工中发生的一些崩边现象,必须提高材料的利用效率,硅片的切割一般应使用超薄片。
5.3 金刚石在热管理材料中的使用
目前金刚石作为热管理材料,早已被科技人员当做电子工业的非常理想的散热材料。把金刚石与铜、铝等金属材料复合就可以获得比较高的导热效率,以及可调节的膨胀系数,完全可以满足系统散热和组装工艺的严格要求。目前,国内外研发热管理材料的焦点都集中在碳纤维和金刚石的研究上,已经取得非常大的进展。
6 结束语
当今世界科技飞速发展,日新月异,经济形势曲折动荡。国内外的市场经济竞争异常激烈,原材料不断价格上扬,劳动力的成本上升较快,人民币进一步升值,企业的生存压力逐渐增加。节能减排,发展绿色环保、低消耗的绿色经济是中国面临的巨大任务,这些对抗风险能力差的中小企业来说,是一个非常严峻的考验。企业家自身的经营理念与社会价值观也需要转变,要促使企业转型,不断进行技术升级,不能抱着廉价的普通消费品不放;要有自主创新的经营意识,有自己特色的企业产品,拥有特殊的技术、人才,特殊的销售能力;要摸清市场状况,需求市场经济规律,分析企业产品畅销和滞销的深层次原因,才能做到心中有数,寻找突破口;要有敏锐的战略发展眼光,更好地争取机会,获取及时的信息,抢占市场的发展先机。
在当前的世界形势下,我们只有化挑战为机遇,才能抓住机会,谋求更大的发展空间。在这数十年的发展中,我们取得了辉煌的成绩;面向未来,挑战与机遇并存,我们信心百倍。我们要以自强不息、勇为人先的精神为我国超硬材料工业的健康运行做出新的、更大的贡献。我们还要以知难而进的精神,打造我们自己的品牌,实现超硬材料生产强国的目标。我们相信,只要我们付出更大的努力,才能使我国超硬材料工业始终处于国际强国的地位。
参考文献
[1]赵博,宜云雷,李志宏.超硬材料行业经济运行形势分析及对未来发展的思考——又创新记录、再攀新高峰[J].金刚石与磨料磨具工程,2009(04).
[2]姚裕成,熊文松,莫文裔.我国超硬材料的历史、现状与未来[J].硅酸盐通报,2010(02).
[3]章兼植,吕智.我国超硬材料制品发展战略的几点思考[J].矿产与地质,2000(02).
[4]方啸虎,郑日升,彭国强,涂建民.超硬材料行业当前形势与对策[J].超硬材料工程,2006(01).
[5]余东满,高志华,李晓静,王笛.超硬刀具材料的发展与应用[J].新技术新工艺,2010(11).
[6]瞿铭.超硬材料行业今后发展应注意的几个问题(2006年南岳会议的总结)[J].超硬材料工程,2006(05).
[7]方啸虎.小压机(直径为280-310毫米)实现大腔体(直径为25-28毫米)生产人造金刚石研究与应用[C].二十世纪中国超硬材料会议论文集,2006,5:108-118.
[8] 张相法.我国CBN合成技术的进展[C].第十届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集,2008,8:43-47.
[9]张相法,李刚,王光祖.六方氮化硼结晶度对立方氮化硼合成的影响[C].第十届全国高压学术讨论会论文集,2007:16.
[10]王光祖.粉状触媒的技术特性及其对金刚石合成的影响,国际超硬材料及制品研讨会论文集,2008:l00-104.
作者简介
李超杰(1972-),男,中国人民大学经济学硕士,单位:郑州磨料磨具磨削研究所。