一种多晶金刚石透明陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，该方法以金刚石微粉为原料，工艺步骤：(1)原料金刚石微粉的含碳纯度要求大于99％，对于含碳纯度达不到要求的金刚石微粉首先进行除杂处理，然后进行真空热处理，对于含碳纯度符合要求的金刚石微粉，直接进行真空热处理，以去除金刚石微粉表面吸附的氧、氮或水蒸气；(2)将真空热处理后的金刚石微粉装入清洁后的金属箔材预压成型；(3)将金属箔材包裹的型坯在压强10～30GPa、温度1500～3000℃下烧结10～2000s，烧结时间到达后，降压降温至常压室温，然后用无机酸去除金属箔材，即得到多晶金刚石透明陶瓷。本发明专利技术为多晶金刚石透明陶瓷的制备提供了一种新的技术方案。

【技术实现步骤摘要】
一种多晶金刚石透明陶瓷的制备方法
本专利技术属于多晶金刚石透明陶瓷领域，涉及多晶金刚石透明陶瓷的制备方法。
技术介绍
透明陶瓷根据应用特征可大致分为两类：透光/透波性透明陶瓷和特种光功能特性透明陶瓷，前者以可见光透光或红外透波为主，后者在高功率全固态激光器方面得到体现。相较于普通的光学材料，透明陶瓷既具有陶瓷材料所共有的高熔点、高强度、高绝缘、耐腐蚀、耐高温等性能，又具备良好的透光性，因此可制成多种用途的电-光、电-机军民两用器件。透明陶瓷在国防、空间科学、医学、激光、红外探测、新型光源、检测、勘探等方面具有广阔的应用前景。例如，透明陶瓷常被用于红外检测窗、高压钠光灯管、铂金坩埚的代用品、集成电路的基片、高频绝缘材料、高温透镜、红外元件、平板显示乃至激光材料等民用领域，还被用于新一代武装直升机、装甲车辆等有观瞄窗口的一线作战武器装备，以及导弹整流罩、光电雷达整流罩、红外告警、光电对抗等军事领域。金刚石为目前已知最硬的材料，同时又兼具高熔点、高导热、高绝缘、高透光率、高折射率、和耐腐蚀等性能，是理想的特种透明陶瓷材料，对国家安全和国民经济可持续发展具有重大意义。金刚石主要分为单晶金刚石和多晶金刚石透明陶瓷，鉴于单晶金刚石各向异性及制备困难等原因，目前研究者们主要致力于多晶金刚石透明陶瓷的制备和应用。多晶金刚石透明陶瓷具有各向同性、硬度高、韧性好、高绝缘、高导热、高可见光透过率、高导波(红外、X射线、中子等)率等优点。现有块体多晶金刚石透明陶瓷制备方法主要为高温高压相变法。高温高压相变法是通过在高温高压极端条件下将石墨或其它非金刚石碳(如碳纳米管、玻璃碳、洋葱碳、石墨烯等)直接转化为金刚石的方法，存在以下问题：(1)高温高压相变法制备多晶金刚石透明陶瓷技术难度极大，成本极高，这是由于烧结过程中，会伴随20％以上的被烧结样品体积塌缩，容易导致高温高压腔体不稳定和压砧(高压设备关键零部件)应力集中，致使技术实施难度极大；同时，压砧应力集中和高温高压腔体不稳定导致的高压腔体密封失效(高压研究领域俗称“放炮”)会严重缩减压砧使用寿命，进而极大的增加生产成本。(2)由于金刚石的高熔点、高再结晶温度的特性，使得高温高压相变法制备的透明多晶金刚石晶粒尺寸难以调控，多为纳米级，这是因为高压相变法制备多晶金刚石透明陶瓷的机理是石墨或其它非金刚石碳的相变，金刚石晶粒形成后烧结温度需要提高至再结晶温度以上才可促使晶粒长大，但现有高温高压实验技术无法达到足够调控晶粒尺寸的温度。(3)由于高温高压相变法烧结过程中被烧结样品存在严重体积塌缩，容易导致高温高压腔体内压力场和温度场不均匀，因而致使所制备的多晶金刚石透明陶瓷块体存在残余应力大、均匀性差等缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，以便于调控透明多晶金刚石的晶粒尺寸，并避免烧结时高温高压腔体不稳定和压砧应力集中导致的高压腔体密封失效，或高温高压腔体内压力场和温度场不均匀。本专利技术提供的多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，以粒度5nm～100μm金刚石微粉为原料，工艺步骤如下：(1)金刚石微粉的预处理原料金刚石微粉的含碳纯度要求大于99％，对于含碳纯度达不到要求的金刚石微粉首先进行除杂处理，然后进行真空热处理，对于含碳纯度符合要求的金刚石微粉，直接进行真空热处理，以去除金刚石微粉表面吸附的氧、氮或水蒸气；(2)预压成型将真空热处理后的金刚石微粉装入清洁后的金属箔材预压成型，所得型坯的密实度应不小于30％；(3)烧结与金属箔材的去除将金属箔材包裹的型坯放入大腔体静高压装置中，在压强10GPa～30GPa、温度1500℃～3000℃条件下烧结10s～2000s，烧结时间到达后，降压降温至常压室温，然后用无机酸去除金属箔材，即得到多晶金刚石透明陶瓷。需要说明的是：烧结时压强与温度的匹配关系是压强高则温度低，即在上述烧结温度和烧结压强的范围内，若选择高的烧结压强，则配以低的烧结温度，若选择低的烧结压强，则配以高的烧结温度(见实施例)。上述多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，根据所制备的多晶金刚石透明陶瓷的要求，原料金刚石微粉可选用单一粒度或混合粒度的微粉。上述多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，原料金刚石微粉的制备方法包括爆轰法或冲击法、静高压法、大颗粒金刚石粉碎法和化学气相沉积法，这些方法制备的金刚石微粉均有市售商品，可通过市场购买。其中，化学气相沉积法能得到含碳纯度大于99％的金刚石微粉，其它方法制备的金刚石微粉都达不到含碳纯度大于99％的要求，需要进行除杂处理。关于金刚石微粉的除杂，可采用酸洗法、电解法或碱洗法中的至少一种方法，本专利技术中采用的酸洗法操作如下：将金刚石微粉与无机酸按照重量比1∶(2～4)加入净化釜中，在水浴中搅拌加热至60℃～70℃，之后于该温度下继续搅拌至少24h，继后待粉体沉降除去液体并用去离子水洗涤至中性后烘干；所述无机酸为氢氟酸和盐酸中的至少一种，无机酸的质量浓度为20％～40％。上述多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，步骤(1)中真空热处理的作用是去除金刚石微粉表面吸附的氧、氮或水蒸气，具体操作为：将含碳纯度符合要求的金刚石微粉于真空度为1×10-1Pa～1×10-5Pa、温度为500℃～1200℃条件下保温0.1h～6h。上述多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，步骤(2)中，所采用的金属箔材为钽箔、铼箔或铂箔，使用前需进行清洁处理，清洁处理的操作是：将金属箔材依次进行抛光、去油、超声波清洗、红外烘干。上述多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，步骤(2)中，预压成型的压强为400MPa～700MPa，施压时间以所得型坯的密实度确定。经研究发现，升温速率、降温速率、升压速率和降压速率对最终样品的微观结构和宏观性能均有影响，通过调控升温速率、降温速率、升压速率和降压速率可以有效释放应力，减少样品内部微裂纹，提升样品均匀性。本专利技术中，将压强从常压升至烧结压强的升压速率和将压强从烧结压强降至常压的降压速率为0.5GPa/h～60GPa/h，将温度从室温升至烧结温度的升温速率和将温度从烧结温度降至室温的降温速率为1℃/min～1000℃/min。经研究发现，温度和压力两个条件开始加载和开始卸载时间点的选取以及温度和压力共同作用时间也会对最终样品的微观结构和宏观性能产生影响，因此，本专利技术中升温升压和降温降压的方式如下：先将压强从常压升至烧结压强并保持该烧结压强，再将温度从室温升至烧结温度，烧结时间到达后，先将温度从烧结温度降至室温，再将压强从烧结压强降至常压；或者先将压强从常压升至烧结压强并保持该烧结压强，再将温度从室温升至烧结温度，烧结时间到达后，同时启动降温、降压，使温度从烧结温度降至室温，使压强从烧结压强降至常压；或者先将压强从常压升至金刚石可稳定存在的压强并保持该压强，然后将温度从室温升至烧结温度，再将压强升至烧结压强，烧结时间到达后，先将温度从烧结温度降至室温，再将压强从烧结压强降至常压；或者先将压强从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，其特征在于以粒度5nm～100μm金刚石微粉为原料，工艺步骤如下：/n(1)金刚石微粉的预处理/n原料金刚石微粉的含碳纯度要求大于99％，对于含碳纯度达不到要求的金刚石微粉首先进行除杂处理，然后进行真空热处理，对于含碳纯度符合要求的金刚石微粉，直接进行真空热处理，以去除金刚石微粉表面吸附的氧、氮或水蒸气；/n(2)预压成型/n将真空热处理后的金刚石微粉装入清洁后的金属箔材预压成型，所得型坯的密实度应不小于30％；/n(3)烧结与金属箔材的去除/n将金属箔材包裹的型坯放入大腔体静高压装置中，在压强10GPa～30GPa、温度1500℃～3000℃条件下烧结10s～2000s，烧结时间到达后，降压降温至常压室温，然后用无机酸去除金属箔材，即得到多晶金刚石透明陶瓷。/n

【技术特征摘要】
1.一种多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，其特征在于以粒度5nm～100μm金刚石微粉为原料，工艺步骤如下：
(1)金刚石微粉的预处理
原料金刚石微粉的含碳纯度要求大于99％，对于含碳纯度达不到要求的金刚石微粉首先进行除杂处理，然后进行真空热处理，对于含碳纯度符合要求的金刚石微粉，直接进行真空热处理，以去除金刚石微粉表面吸附的氧、氮或水蒸气；
(2)预压成型
将真空热处理后的金刚石微粉装入清洁后的金属箔材预压成型，所得型坯的密实度应不小于30％；
(3)烧结与金属箔材的去除
将金属箔材包裹的型坯放入大腔体静高压装置中，在压强10GPa～30GPa、温度1500℃～3000℃条件下烧结10s～2000s，烧结时间到达后，降压降温至常压室温，然后用无机酸去除金属箔材，即得到多晶金刚石透明陶瓷。


2.根据权利要求1所述多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，其特征在于步骤(3)中，烧结时压强与温度的匹配关系是压强高则温度低。


3.根据权利要求1或2所述多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，其特征在于步骤(3)中，将压强从常压升至烧结压强的升压速率和将压强从烧结压强降至常压的降压速率为0.5GPa/h～60GPa/h，将温度从室温升至烧结温度的升温速率和将温度从烧结温度降至室温的降温速率为1℃/min～1000℃/min。


4.根据权利要求3所述多晶金刚石透明陶瓷的制备方法，其特征在于升温升压和降温降压的方式如下：
先将压强从常压升至烧结压强并保持该烧结压强，再将温度从室温升至烧结温度，烧结时间到达后，先将温度从烧结温度降至室温，再将压强从烧结压强降至常压；
或者先将压强从常压升至烧结压强并保持该烧结压强，再将温度从室温升至烧结温度，烧结时间到达后，同时启动降温...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳威，贺端威，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51