纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料及其制备方法和应用，属超硬材料领域。纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料的制备方法，包括：对具有不同晶体结构的碳粉与非晶硼粉体初始材料均匀混合后真空热处理，将真空处理后的初始材料置于高温高压腔体内，在压力为21‑27GPa，温度为1000‑1600℃的条件下固相反应/烧结所得。高温高压制备的含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料，其晶粒与晶粒之间能形成紧密结合的、高强度的D‑D及B‑C化学键，使其具有优异的力学性能/硬度，高的热稳定性，优良的导热、导电/电学性能，因此使其在电学元器件、刀具材料以及压砧材料中的应用效果佳。

Nanostructured hexagonal diamond polycrystalline superhard composites containing boron and their preparation methods and Applications

The invention relates to a nanostructured hexagonal diamond polycrystalline superhard composite material containing boron and its preparation method and application, belonging to the field of superhard materials. The preparation methods of nanostructured hexagonal diamond polycrystalline superhard composites containing boron include homogeneous mixing of carbon powders with different crystal structures and initial materials of amorphous boron powders and vacuum heat treatment. The initial materials after vacuum treatment are placed in high temperature and high pressure chambers. The solid state reaction/sintering process is carried out at 21 27GPa and 1000 1600 C. The boron-containing hexagonal diamond polycrystalline superhard composites prepared at high temperature and high pressure can form close bonds between grain and grain, high strength D_D and B_C chemical bonds, which make them have excellent mechanical properties/hardness, high thermal stability, excellent thermal conductivity, conductivity/electrical properties. Therefore, the application effect of boron-containing hexagonal diamond polycrystalline superhard composites in electrical components, tool materials and anvil materials is excellent.

【技术实现步骤摘要】
纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及超硬材料领域，且特别涉及一种纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
含硼金刚石与普通金刚石相比，具有抗氧化性强、耐热性好、化学惰性好、电学性能极佳，介电常数低、导热性能好等优点。与聚晶立方金刚石相比，聚晶六方金刚石具有更加优异的力学硬度、热力学稳定性及强度。含硼聚晶六方金刚石，因其优异的稳定性、力学及电学性能，可以在更高温度和恶劣环境下工作，而应用于刀具材料、电子元器件、及高温高压压砧材料。目前，含硼金刚石的制备大多采用掺硼石墨在铰链式六面顶压机高温高压实验装置上进行，然而所含硼含量很少。如今，对于高硼含量金刚石复合材料，特别是含硼-六方金刚石复合材料的研究鲜有研究。本专利技术报道了一种基于铰链式六面顶压机的二级增压装置，来制备大尺寸、纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料的方法。
技术实现思路
本专利技术实例提供一种纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料的制备方法，通过以碳粉(包含：纳米/亚微米金刚石和/或非晶碳)与非晶硼粉体材料为初始材料，通过真空热处理工艺，在高温高压极端条件下，通过对温度、压力与烧结/固态反应时间的调控，成功制备了新型含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料。本专利技术实施例提供一种纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料，其为纳米晶六方结构的金刚石材料，同时该复合材料的尺寸较大，可以达到厘米级，能有效实现工业化应用与生产。本专利技术实例提供一种纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料，并应用于电学元器件、刀具及压砧材料。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。第一方面，本专利技术实例提出一种纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料的制备方法，其包括：以具有不同晶体结构的碳粉与非晶硼粉体为初始材料，均匀混合，然后进行真空热处理工艺；将经过真空热处理后的硼-碳混合物初始材料，置于高温高压腔体中，在压力为21-27GPa，温度为1000-1600℃的高温高压条件下进行固相反应/烧结，以得到含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料；其中，碳粉包含金刚石粉体与非晶碳粉体中的至少一种。例如，将初始材料置于压力21-26GPa、23-27GPa、25-27GPa、或22-26GPa等，温度为1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃或1600℃等中的任意一点或任意两点之间的范围值的高温高压条件下进行固相反应/烧结，以制备纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料。通过对初始碳粉(包含金刚石粉体和/或非晶碳粉体)与非晶硼粉体材料的真空热处理，以消除初始纳米/非晶粉体材料表面所吸附的水分、氮气/氧气等气氛，接着通过在六方金刚石的热力学稳定温度以及压力范围内，通过对温度、压力与保温时间的调控，通过位移型相变/重构性相变及高压固相反应，如图1所示，来制备纳米晶含硼六方金刚石超硬块体复合材料。通过高温高压二级增压技术制备的块体纳米结构含硼六方金刚石复合材料的晶粒与晶粒之间能形成紧密结合的、高强度的D-D及B-C化学键。该复合材料具有优异的力学性能/硬度、高的热稳定性、及优良的导热、导电/电学性能，而作为一种优异的电学元器件及高温高压压砧材料而应用在极端环境下。换言之，初始材料由碳粉与非晶硼粉体的混合物组成。需要说明的是，本专利技术中，将碳粉与非晶硼粉体混合均匀，可以采用三维混料机使二者充分混合均匀，从而制备出均一分布的纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料。其中，碳粉包含金刚石粉体材料及非晶碳粉中的至少一种。金刚石粉体材料为结晶性良好的立方结构金刚石，用于后续制得晶粒为纳米晶的含硼六方金刚石超硬块体复合材料。其中，非晶硼或非晶碳粉，可以通过商业购买，或通过分别高能球磨α-B晶体及石墨粉体后得到。碳粉为纳米碳粉和/或亚微米碳粉。也即是，金刚石粉体为纳米金刚石粉体和/或亚微米金刚石粉体，非晶碳粉体为纳米非晶碳粉体和/或亚微米非晶碳粉体。可选地，非晶硼粉体为纳米非晶硼粉体和/或亚微米非晶硼粉体。承上述，纳米碳粉的平均粒径范围为50-100nm，亚微米碳粉平均粒径100nm-1μm，例如碳粉的平均粒径：50-100nm、100nm-200nm、200-500nm、500nm-1μm等。纳米非晶硼粉体的平均粒径范围为50-100nm，亚微米非晶硼粉体的平均粒径为100nm-1μm，例如非晶硼粉体的平均粒径：50-100nm、100nm-200nm、200-500nm、500nm-1μm等。上述范围内，便于后续进行高温高压烧结/合固相反应，保证得到高致密的、具有优异力学性能的含硼六方金刚石超硬复合材料。其中，金刚石粉体可以为采用爆轰法或冲击法合成、静高压法合成、化学气相沉积法或粉碎大颗粒金刚石法等制备的纳米或亚微米金刚石粉体；在此，对于高纯度的纳米/亚微米金刚石粉体材料、及非晶碳/硼粉体材料的来源不进行限定。结合第一方面，本专利技术示出的一种实施例中，碳粉中，碳粉含有的C与非晶硼粉体的中含有的B的原子化学配比为:C/(C+B)＝33.3-100％；此原子化学配比条件下，得到的纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料的性能佳。需注意的是，此处的碳粉含有的C是指碳原子，非晶硼粉体的中含有的B是指B原子，原子化学配比C/(C+B)是指碳粉含有的C原子数量与(碳粉含有的C原子数量与非晶硼粉体的中含有的B原子的数量之和)之比。可选地，C/(C+B)＝33.3％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、98％或100％中的任意一个或任意两个之间的范围值。请参阅图1，应用碳粉与非晶硼粉体为初始材料，在上述高温高压极端条件下，经位移型相变与/高温高压固相反应，形成六方金刚石、B4C或少许γ-B的混合相(请参阅图4)，并获得纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料。当初始材料为非晶碳与非晶硼粉体材料时，在上述制备方法的条件下，非晶碳与非晶硼经过重构型相变及高温高压固相反应，得到含硼六方金刚石超硬聚晶复合材料。当初始材料为纳米金刚石及非晶硼粉体材料时，在高温高压极端条件下，经位移型/重构型相变、及高温高压固相反应烧结，得到六方金刚石、B4C或少许γ-B的混合相，并形成纳米结构含硼六方金刚石超硬聚晶复合材料。高温高压固相反应及烧结的时间可根据实验的温度以及压力进行调控，结合第一方面，本专利技术示出的一种实例中，固相反应/烧结的时间为10-120min，例如10min、20min，30min、60min或120min等。在此温-压条件下，可以保证制备具有优异力学及电学性能的纳米结构含硼六方金刚石超硬复合材料。结合第一方面，本专利技术示出的一种实施例中，上述真空热处理的温度为500-600℃，例如：真空热处理的温度为500℃、550℃或600℃等。在该温度处理范围内，保持碳粉及非晶硼材料的原有的晶体结构的同时，有效去除粉体表面的水分、氧/氮气等气氛，进而才能有效地制备纳米结构的含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料。可选地，上述第一步骤中，真空热处理的真空度为2-5×10-3Pa。例如2.5-5×10-3Pa、3.5-5×10-3Pa、2-3.4×10-3Pa或4-5×10-3Pa等。通过在此条件下进行真空热处理，有效去除粉体表面的水分、氧/氮气等气氛，防本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料的制备方法，其特征在于，其包括：以具有不同晶体结构的碳粉与非晶硼粉体为初始材料，均匀混合，然后进行真空热处理工艺；将经过真空热处理后的初始材料，置于高温高压腔体中，在压力为21‑27GPa，温度为1000‑1600℃的高温高压条件下进行固相反应/烧结，以得到所述纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料；其中，所述碳粉包含金刚石粉体与非晶碳粉体中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料的制备方法，其特征在于，其包括：以具有不同晶体结构的碳粉与非晶硼粉体为初始材料，均匀混合，然后进行真空热处理工艺；将经过真空热处理后的初始材料，置于高温高压腔体中，在压力为21-27GPa，温度为1000-1600℃的高温高压条件下进行固相反应/烧结，以得到所述纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料；其中，所述碳粉包含金刚石粉体与非晶碳粉体中的至少一种。2.根据权利要求1所述的纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳粉含有的C与所述非晶硼粉体的中含有的B的原子化学配比为:C/(C+B)＝33.3-100％；优选地，所述C/(C+B)＝33.3％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、98％或100％中的任意一个或任意两个之间的范围值。3.根据权利要求1所述的纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳粉为纳米碳粉和/或亚微米碳粉；优选地，所述纳米碳粉的平均粒径为50-100nm，所述亚微米碳粉的平均粒径为100nm-1μm。4.根据权利要求1所述的纳米结构含硼六方金刚石聚晶超硬复合材料的制备方法，其特征在于，所述固相反应/烧结的时间为10-120min。5.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹永涛，赵予生，王培，王善民，王李平，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44