纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其制备步骤包括：将纳米碳材料与超硬材料微粉混合制得复合粉体，然后对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理，制得纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。该材料具有高抗冲击韧性、高热稳定性，可应用于超硬切削和磨削工具中。

【技术实现步骤摘要】
纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法及应用
本专利技术涉及超硬材料领域，具体的说，涉及了一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法及应用。
技术介绍
聚晶材料中的立方氮化硼、金刚石等材料因其耐热性能好、化学惰性强且具有较高的硬度、较好的导热率，被广泛用于刀具行业。随着材料科学的进步，对刀具材料的硬度、耐磨性、韧性和强度的要求提出了更高的要求，理想的刀具材料应既具有极高的硬度、耐磨性，有利于提高切削效率，有利于延长刀具耐用度，同时又要具有好的抗冲击韧性，使得其能够承受大的切削力。同时，在利用聚晶材料和硬质合金基体在高温高压烧结制备产品时，聚晶材料经历了聚晶材料破碎和再结晶长大、钴等在聚晶材料层中的扩散熔渗迁移等过程，处于聚晶材料间隙处的粘接剂的脆性和热胀冷缩及其氧化是聚晶材料制品冲击破坏的源头和热稳定性下降的主要因素。而纳米碳材料中的多壁碳纳米管通常直径在0.3nm到几十纳米之间，长度可达几十微米，是两端封闭的富勒烯管，具有非常优异的力学性能和物理特性：弹性应变可达12%，弹性模量超过1.8×106MPa，弯曲强度为1.42×107MPa，长度超过10nm时导热系数依然可以达到2800w/m·K，同时多壁碳纳米管在高温高压下很难转变成金刚石，其管状结构在压力5GPa～6GPa、温度1450℃仍然能够保留下来。因此中国专利CN102268619B公开了一种多壁碳纳米管增强金刚石复合片材料的制备方法，该方法采用半湿混使多壁碳纳米管与金刚石微粉以及粘接剂等弥散地均匀地混合在一起成为聚晶金刚石层的原材料，将它与硬质合金基体通过高温高压烧结工艺和适当的热处理工艺制造成为多壁碳纳米管增强的PDC，制得的产品相对于未增强处理的聚晶材料制品在抗冲击韧性和耐磨性上有所提高，但上述方法依然采用含有金属或金属氧化物的粘结剂进行合成，产品依然存在因热稳定性问题出现的微裂纹或脱层现象，同时该方法对合成工艺要求较为严格，限制了大批量生产。为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其制备步骤包括：将纳米碳材料与超硬材料微粉混合制得复合粉体，然后对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理，制得纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。基于上述，所述超硬材料微粉为纳米金刚石或纳米立方氮化硼，且粒度为8nm～60nm。基于上述，对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理的步骤包括：将所述复合粉体置于石墨模具中，以80℃/min～100℃/min的升温速率在1150℃～1350℃的烧结温度和30MPa～100MPa的烧结压力下进行放电等离子烧结5min～30min，自然冷却从而制得所述纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。基于上述，制得所述复合粉体的步骤包括：在超声波的作用下，先将所述纳米碳材料分散到分散溶液中，得到前躯体溶液；然后在超声波和机械搅拌的共同作用下，再将所述超硬材料微粉分散在所述前躯体溶液中制得纳米粉体混合液；最后将所述纳米粉体混合液干燥处理制得所述复合粉体；其中，所述分散溶液为无水乙醇或去离子水。基于上述，当所述纳米碳材料为多壁碳纳米管时，制得所述复合粉体的步骤还包括：对所述纳米粉体混合液先进行球磨混合8h～10h，再进行真空干燥处理，从而得到所述复合粉体，其中在所述复合粉体中所述多壁碳纳米管的质量分数大于0%小于等于5%。基于上述，当所述纳米碳材料为石墨烯时，在制得所述复合粉体的步骤中，控制所述复合粉体中所述石墨烯的质量分数大于5%小于等于15%；且在对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理时，烧结处理的烧结温度为1200℃～1350℃。基于上述，所述石墨烯的层数为1层～10层、厚度为0.55nm～3.74nm。基于上述，当所述纳米碳材料为多壁碳纳米管时，对所述复合粉体进行放电等离子体烧结的烧结温度为1150℃～1300℃。基于上述，所述多壁碳纳米管直径为10nm～60nm、长度为5微米～100微米。本专利技术还提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，它作为增强体与基体材料复合，应用于超硬切削和磨削工具中；所述基体材料为硬质合金或金属材料。本专利技术相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本专利技术利用具有高韧性、高稳定性的纳米碳材料为烧结粉体，利用纳米粉体独特的表面效应实现颗粒间的致密烧结；同时放电等离子烧结时，由于纳米碳材料本身具有的导电性加速了脉冲电流在纳米粉体间的传导，由脉冲电流通电、断电产生的等离子体能够击穿孔隙内残留气体局部放电，从而激活纳米粉体表面，使其相互之间发生反应，经过一定的保温时间形成具有化学结合的烧结界面。另一方面，在烧结体中纳米碳材料分布于超硬材料间隙处，能够在空间内呈现立体网状分布的、作为具有高导热率的增韧相，使得裂纹在扩展时发生择向或偏转，降低了裂纹扩展能，从而提高了该超硬材料的韧性、抗压强度和耐磨性能。该制备方法生产工艺简单、原料易得。具体实施方式下面通过具体实施方式，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。实施例1本实施例提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，原料中所述超硬材料微粉为粒度8nm～20nm的立方氮化硼纳米粉体；所述纳米碳材料为具有1层～10层结构的石墨烯，且所述1层～10层结构的石墨烯平均厚度为3.74nm。该方法具体包括以下步骤：复合粉体的制备：在超声波的作用，先将石墨烯分散在去离子水中制得前躯体溶液，然后在超声波和机械搅拌的共同作用下，向所述前躯体溶液中加入粒度为8nm～20nm的立方氮化硼纳米粉体进行分散处理从而制得石墨烯/纳米立方氮化硼混合溶液；对所述石墨烯/纳米立方氮化硼混合溶液冷冻干燥24h处理得到混合干燥的复合粉体，其中控制所述石墨烯的质量为所述复合粉体质量的5%。复合粉体的放电等离子体烧结：将所述石墨烯/纳米立方氮化硼复合粉体装入石墨模具中，以100℃/min的升温速率，在1350℃烧结温度和50MPa的烧结压力下进行放电等离子烧结10min，自然冷却从而制得石墨烯增强纳米立方氮化硼复合材料，制得的复合材料标记为1＃。本实施例还提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，它作为增强体与硬质合金复合，应用于制备超硬切削工具。实施例2本实施例提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，原料中所述超硬材料微粉为粒度10nm～30nm的立方氮化硼纳米粉体；所述纳米碳材料为具有1层～10层结构的石墨烯，且所述1层～10层结构的石墨烯平均厚度为3.5nm。该方法具体制备步骤与实施例1中的大致相同，不同之处在于：所述复合粉体的制备步骤中，控制所述石墨烯的质量为所述复合粉体质量的10%，制得的复合材料标记为2＃。本实施例还提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，它作为增强体与硬质合金复合，应用于制备超硬磨削工具。实施例3本实施例提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，原料中所述纳米碳材料为具有1层～10层结构的石墨烯，且所述1层～10层结构的石墨烯平均厚度为3.55nm、所述超硬材料微粉为粒度30nm～60nm的纳米金刚石粉体。具体制备步骤与实施例1中的大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其制备步骤包括：将纳米碳材料与超硬材料微粉混合制得复合粉体，然后对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理，制得纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其制备步骤包括：将纳米碳材料与超硬材料微粉混合制得复合粉体，然后对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理，制得纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。2.根据权利要求1所述的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其特征在于，所述超硬材料微粉为纳米金刚石或纳米立方氮化硼，且粒度为8nm～60nm。3.根据权利要求1或2所述的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其特征在于，对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理的步骤包括：将所述复合粉体置于石墨模具中，以80℃/min～100℃/min的升温速率在1150℃～1350℃的烧结温度和30MPa～100MPa的烧结压力下进行放电等离子烧结5min～30min，自然冷却从而制得所述纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。4.根据权利要求3所述的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其特征在于，制得所述复合粉体的步骤包括：在超声波的作用下，先将所述纳米碳材料分散到分散溶液中，得到前躯体溶液；然后在超声波和机械搅拌的共同作用下，再将所述超硬材料微粉分散在所述前躯体溶液中制得纳米粉体混合液；最后将所述纳米粉体混合液干燥处理制得所述复合粉体；其中，所述分散溶液为无水乙醇或去离子水。5.根据权利要求4所述的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷君，陈培，
申请(专利权)人：富耐克超硬材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41