一种金刚石及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种金刚石的制备方法，包括：制备活化的纳米石墨粉体在真空环境中，并在惰性气体、氢气和甲烷的混合气氛中，以石墨块体为阳极靶材，采用直流电弧等离子法制备出活化的纳米石墨粉体；合成金刚石在高温高压的条件下，利用所述活化的纳米石墨粉体合成金刚石。本发明专利技术还提供一种由上述方法制备出的金刚石。所述金刚石利用所述活化的纳米石墨粉体采用高温高压法合成，其中，所述活化的纳米石墨粉体，主要由具有sp

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石及其制备方法
本专利技术属于超硬材料领域，尤其涉及一种金刚石及其制备方法。
技术介绍
随着航空航天、汽车、能源工业以及电子产品加工业的发展，涌现出大量的高性能新型材料，以及越来越高的工艺要求，这些高性能新型材料的高精密切削加工需要更高效的工具。碳元素作为自然界中存在的与人类生活密切相关的最重要的元素之一而备受关注和广泛研究，其以单质或化合物的形式广泛存在于浩瀚无垠的地球上，碳元素具有sp、sp2、sp3杂化的多样电子轨道特性，使其以碳为唯一构成元素的碳材料具有各式各样优异的结构性质，在许多研究领域受到了密切关注和重点研发，尤其在锂离子电池以及催化等方面的得到了广泛的应用。而将体相的碳材料制备成碳纳米颗粒，可以大大提高碳材料所表现出的优异性能；因碳纳米颗粒独特的网状结构和较大的比表面积，使其不但拥有传统纳米材料所具备的良好的小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等特性，更大大提高了其高硬度、高强度、低密度、高稳定性、高耐磨性以及高电导率和高热导率等方面的特性，使其在电子学、光学、化工陶瓷、器械制造、生物医药等众多新科技领域有重要的实际应用价值和潜在的科学研究意义。由于碳纳米粒子的细化，晶界或相界数量大幅度增加，随之带来的是材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光、机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，使得所制备的碳纳米颗粒在宏观上显示出许多优异奇妙特性。例如，相比于传统的金刚石，通过碳纳米材料所合成的金刚石具有质量轻、强度高、耐磨性好的特点，有望应用于高精密切削加工领域。因此，在超硬材料领域，研究利用碳纳米材料合成的金刚石，在工具方面的投入和应用代表着新的研究趋势和方向，有望满足当下制造工业的发展需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术确有必要提供一种高品级的金刚石及其制备方法，该高品级的金刚石具有高的强度和硬度、热稳定性以及耐磨性等性能。为此，本专利技术提供一种金刚石的制备方法，包括：制备活化的纳米石墨粉体在真空环境中，并在惰性气体、氢气和甲烷的混合气氛中，以石墨块体为阳极靶材，采用直流电弧等离子法制备出活化的纳米石墨粉体；合成金刚石在高温高压的条件下，利用所述活化的纳米石墨粉体合成金刚石。基于上述，所述活化的纳米石墨粉体中的纳米颗粒粒径主要集中于70-300nm。优选地，所述纳米颗粒粒径主要集中于100-250nm。更优选地，所述纳米颗粒粒径主要集中于120-200nm。本文中的纳米颗粒粒径“主要集中于”是有85%以上的纳米颗粒的粒径集中在某一范围内。基于上述，所述活化的纳米石墨粉体主要由具有sp2结构的碳元素组成，其中，还含有部分碳元素具有sp3结构。所述活化的纳米石墨粉体尺寸均匀、粒径小、纯度高于99.99%，其在具备了纳米效应的同时，还使所述纳米石墨的内部含有sp3的碳元素存在，即，所述活化的纳米石墨粉体中含有少量的纳米金刚石颗粒。基于上述，所述惰性气体的压强为18-22kPa，氢气的压强为2.5-3.5kPa，甲烷的压强为35-45kPa。在所述制备活化的纳米石墨粉体的步骤中，所述惰性气体、氢气和甲烷的压强比之所以限定在上述范围，主要是因为若惰性气体或甲烷的压强比较小，则不利于纳米石墨粉体的活化；若惰性气体或甲烷的压强比较大，则会使得纳米石墨粉体的颗粒较大，纳米石墨粉体的活化力度较小，进而不能有效提高以其为原料制备的金刚石的性能。所以，所述惰性气体的压强可以为18kPa、19kPa、20kPa、21kPa或22kPa等，氢气的压强可以为2.5kPa、2.8kPa、3kPa或3.5kPa等，甲烷的压强可以为35kPa、38kPa、40kPa、42kPa或45kPa等。基于上述，所述制备活化的纳米石墨粉体的步骤包括：提供一直流电弧装置，以碳棒作为阴极，以所述石墨块体作为阳极，对所述直流电弧装置中的反应腔体进行抽真空处理，直至所述反应腔体的真空度为5×10-3Pa；然后通入惰性气体、氢气和甲烷，进行直流电弧等离子处理制得所述活化的纳米石墨粉体。本专利技术中使用的电极：碳棒及石墨块体靶材的纯度均不小于99.99%。在所述直流电弧等离子处理过程中，控制电流为80-150A；优选地，控制电流为80A、100A、120A或150A。所述反应腔体内部不需要加热，仅仅需要依靠石墨块体靶材周围电弧的温度，大概是3000℃，其中产生的等离子体在所述反应腔体的低温内壁上形核长大和脱落，制得所述活化的纳米石墨粉体。其中，所述石墨块体为自制的或市售的。其中，所述石墨块体的自制方法主要包括：以微米级或毫米级石墨粉为原料，通过压力机将其在高压下压制成块体，即制得作为所述阳极靶材的所述石墨块体。基于上述，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。优选地，所述惰性气体为氩气。在所述活化的纳米石墨粉体的制备过程中，在真空和惰性气体环境中，采用直流电弧等离子法，利用等离子体的高温，使分子状态的甲烷和氢气电离为碳离子态和氢离子态，石墨块体靶材在电弧高温下蒸发气化，与碳离子态相互碰撞发生团聚，气态原子冷区成核长大形成所述活化的纳米石墨粉体。其中，甲烷和金刚石中的碳原子均具有sp3杂化的电子轨道特性，而石墨中的碳原子则具有sp2杂化的电子轨道特性，甲烷电离形成的碳离子态也具有sp3杂化的电子轨道特性，有利于后续合成金刚石，类似合成金刚石的成核剂，达到活化纳米石墨的目的；氢离子态起到转化sp2结构的石墨到sp3结构的金刚石作用，进而有利于后续合成金刚石；从而制备出所述活化的纳米石墨粉体，且该活化的纳米石墨粉体中含有少量的纳米金刚石颗粒。即，该活化的纳米石墨粉体中的碳元素主要具有sp2结构，还有部分碳元素具有sp3结构。所以，在该制备活化的纳米石墨粉体的过程中，氢气和甲烷的作用不仅仅能提高纳米石墨粉体的纯度，还能形成具有sp3结构的纳米金刚石，达到活化纳米石墨粉体，促进金刚石合成的目的。所述活化的纳米石墨粉体中的形成纳米金刚石结构的碳元素来源于甲烷和氢气作用的石墨块体靶材。基于上述，所述直流电弧等离子处理的步骤之后，还包括对所述活化的纳米石墨粉体进行钝化处理的步骤。其中，采用直流电弧等离子处理之后进行钝化处理的主要目的使所述活化的纳米石墨的表面生成不活泼态保护层以使所述活化的纳米石墨粉体材料稳定。基于上述，所述合成金刚石的步骤包括：提供一粉末催化剂，将所述活化的纳米石墨粉体和所述粉末催化剂均匀混合，并置于六面顶压机腔室内在高温高压下合成金刚石。基于上述，所述粉末催化剂由以下质量百分比的组分组成：Ni：5-13%、Co：1-4%、Cu:0.5-3%、Mn：3-5%、V：0.01-0.07%，余量为Fe。本专利技术还提供一种由上述方法制备的金刚石。其中，该金刚石的表面光滑，断裂强度3-3.35GPa，砂轮磨削力13-15N/mm，磨耗能95-100J/mm3，磨耗比6570-7040。其中，本专利技术提供的金刚石的性能测试方法如下：金刚石断裂强度的测量方法分别取#60/80金刚石检测对象250粒进行断裂强度试验，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石的制备方法，包括：/n制备活化的纳米石墨粉体 在真空环境中，并在惰性气体、氢气和甲烷的混合气氛中，以石墨块体为阳极靶材，采用直流电弧等离子法制备出活化的纳米石墨粉体；/n合成金刚石 在高温高压的条件下，利用所述活化的纳米石墨粉体合成金刚石。/n

【技术特征摘要】
1.一种金刚石的制备方法，包括：
制备活化的纳米石墨粉体在真空环境中，并在惰性气体、氢气和甲烷的混合气氛中，以石墨块体为阳极靶材，采用直流电弧等离子法制备出活化的纳米石墨粉体；
合成金刚石在高温高压的条件下，利用所述活化的纳米石墨粉体合成金刚石。


2.根据权利要求1所述的金刚石的制备方法，其特征在于，所述活化的纳米石墨粉体中的纳米颗粒粒径主要集中于70-300nm。


3.根据权利要求1或2所述的金刚石的制备方法，其特征在于，所述活化的纳米石墨粉体主要由具有sp2结构的碳元素组成，其中，还含有部分碳元素具有sp3结构。


4.根据权利要求3所述的金刚石的制备方法，其特征在于，所述惰性气体的压强为18-22kPa，氢气的压强为2.5-3.5kPa，甲烷的压强为35-45kPa。


5.根据权利要求4所述的活化的金刚石的制备方法，其特征在于，提供一直流电弧装置，以碳棒作为阴极，以所述石墨块体作为阳极，对所述直流电弧装置中的反应腔体进行抽真空处理，直至所述反应腔体的真空度为5×10-3Pa；然后通入惰性气体、氢气和甲烷，进行直...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔帅斐，李和鑫，张敏捷，李麟，
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