层状碳晶界相增韧的金刚石复相材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种层状碳晶界相增韧的金刚石复相材料及其制备方法。该材料包括两种典型组织结构：一种是当层状碳晶界相分布于金刚石晶粒周围时，材料的硬度达到30～50GPa，断裂韧性达到5～12MPa

Diamond multiphase material toughened by lamellar carbon grain boundary phase and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
层状碳晶界相增韧的金刚石复相材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于无机非金属材料领域，涉及一种新型金刚石复相材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]金刚石是自然界最硬的物质，素有硬度之王的美誉，具有优异的导热、耐磨以及耐酸碱等特性，使其在机械加工、模具制造以及地质勘探等领域被广泛应用，是一种具有发展前景的材料。但由于单晶金刚石具有机械性能的各向异性以及易解离性，严重限制了单晶金刚石的应用。所以发展各向同性、高韧的聚晶金刚石(Polycrystalline diamond
‑
PCD)块材成为科学界和工业界主要的研究目标。
[0003]但值得注意的是，由于存在大量共价键，金刚石晶粒之间很难成键烧结，如果不使用烧结添加剂，很难获得高密度、高强度的PCD，严重影响金刚石的应用。因此，在聚晶金刚石的合成过程中，采用适宜的粘结剂，通常是十分必要的。目前常用的粘结剂主要可分为三大类：一类是以碳化物、氮化物、硅化物等为代表的陶瓷粘结剂；二类是以钴、镍、铝、钛等为代表的金属或合金粘结剂；其次是由陶瓷与金属或合金按一定配比组成的复合粘结剂。在烧结时，通常会产生与粘结剂相关的晶界相，它作为基质，金刚石晶粒夹嵌其中，从而形成致密的各向同性的聚晶金刚石。这种方法获得金刚石不仅具有各向同性的力学性能以及避免了解离所带来的危害，通常还表现出比单晶更高的韧性，是目前主流的聚晶金刚石的制备方法。
[0004]然而，粘结剂的存在一方面会降低金刚石的硬度，并且严重降低样品的热稳定性等性能。另外，PCD中的粘结剂则是加工过程中的潜在污染源，在研磨和切削等使用过程中，会造成工件一定程度的污染从而严重影响工件的性能。
[0005]因此，业界非常需要新型的具有各向同性的金刚石材料以及对环境友好的其制造方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的一个目的是提供一种各向同性的、同时具有高硬度和高韧性的金刚石材料。
[0007]本专利技术的另一个目的是提供一种各向同性的高性能金刚石材料的制造方法，其可以避免使用对环境不友好的粘结剂等材料。
[0008]因此，本专利技术的第一方面的技术方案是一种金刚石复相材料，其基本上由纯碳元素组成，并且由作为主相的金刚石微晶粒和分布于微晶粒间的晶界处的层状碳晶界相组成。其中，金刚石晶粒是由sp3结构的碳构成，层状碳晶界相由sp2结构的层状碳(Layerd
‑
C)构成。由于其相结构特点，所述金刚石复相材料也可以被称为“层状碳晶界相增韧金刚石”或“层状纯碳相晶界增韧金刚石”。目前还没有相关专利和文献报道过这种层状碳晶界相增韧金刚石。
[0009]所述金刚石复相材料是一种各向同性材料；另外，由于不含粘结剂、材料整体都是
C
‑
C直接键合从而保证了兼具高强度和高韧性(尤其是断裂韧性)，并且由此保证了加工和使用过程中的高热稳定性、高耐磨性。当所述层状碳基本均匀分布于各处晶界时，金刚石复相材料的硬度可以超过30GPa，韧性可大于5MPa
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；或者当所述层状碳只存在于晶界交汇处(即，至少3个金刚石微晶粒相的汇合处)时，金刚石复相材料的硬度可以超过50GPa，韧性可以大于12MPa
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。此外，由于该材料中不含粘合剂，所以可以避免在材料的使用过程(例如对材料进行研磨和切削等)对工件本身的潜在污染，从而避免由于工件污染导致的性能下降。
[0010]本专利技术的第二方面是一种制备层状碳晶界相增韧的金刚石复相材料的方法，该方法包括如下步骤：
[0011](1)提供一种或多种纯净的碳原料，所述碳原料为粉体或块体；
[0012](2)通过在真空下加热对所述纯净的碳原料进行净化处理；
[0013](3)如果所述碳原料为粉体，先将净化后的碳原料预制成坯，再对所述预制坯进行高温烧结处理(优选在高压下)，形成所述层状碳晶界相增韧的金刚石复相材料；如果所述碳原料为块体，则对所述净化后的碳原料进行高温烧结处理(优选在高压下)，形成所述层状碳晶界相增韧的金刚石复相材料。
[0014]上述方法利用了sp2结构的层状碳可以与sp3结构的金刚石相在一定的温压条件下互相转化的结构相变机制，制备得到了一种新颖结构的金刚石复相材料，该材料以金刚石为主相，以层状碳为晶界相。由于金刚石主相与层状碳晶界相是共生关系，所以获得的金刚石复合材料不仅是全碳材料，还能同时保证硬度、热稳定性、耐磨性等不降低的前提下提高其断裂韧性，解决目前PCD领域极为关键的问题。另外，由于制造过程中不使用辅助粘结剂材料，也避免了在材料的制造中可能的对于加工设备、加工环境和材料本身的污染问题。
附图说明
图1为本专利技术实施例1得到的HAADF电镜照片；图2为本专利技术实施例1得到的SAED电镜照片；图3为本专利技术实施例1、2、6得到的样品微观组织结构示意图；图4为本专利技术实施例3得到的HAADF电镜照片；图5为本专利技术实施例3得到的SAED电镜照片；图6为本专利技术实施例3、4、5得到的样品微观组织结构示意图；图7为本专利技术实施例5得到的样品在5kg载荷下测得的带裂纹的维氏压坑光学照片。
具体实施方式
[0015]本专利技术的第一方面提供了一种金刚石复相材料，其基本上由纯碳元素组成，并且由作为主相的金刚石微晶粒和分布于微晶粒间的晶界处的层状碳晶界相组成。
[0016]在本申请中，除非另有指明或定义，所有的术语应被解释为具有按照本领域技术人员所通常理解的含义。为了清楚起见，以下术语应该按照本文的定义进行解释和理解。
[0017]就本专利技术的目标而言，“纯碳”或“全碳”是指材料主要化学组成只含有碳，而不含任何非碳粘结剂。本领域技术人员可以理解，“纯碳”并不排除原料本身中存在的或加工过
程中无意引入的不可避免的痕量杂质。就本专利技术目的而言“基本上由纯碳元素组成”或“由纯碳元素组成”意指碳元素的质量占材料总质量的至少97％，优选至少98％，更优选至少99％，最优选至少99.9％或接近100％。
[0018]在本申请中，“层状碳”可以是任何sp2结构的碳，通常指的是由例如透射电子显微镜观察到的石墨或无序类石墨的碳结构。它可以由原料中金刚石部分“石墨化”相变而来，也可以是原料中sp2结构的碳未相变残留下来的。本领域技术人员可以理解，“层状碳”主要由sp2结构的碳构成，但是不排除其含有少量的(例如少于10％、5％、3％、2％、1％、0.5％或0.3％等)作为杂质的sp3碳的或其他杂化结构的碳。
[0019]在本申请中，“复相材料”是指从微观上看(具体指经扫描电镜或透射电镜等仪器进行观察)，材料内部存在有明确界面隔开的多种相结构。
[0020]在本申请中，“增韧”一般被理解为经增韧后材料的断裂韧性至少是5 MPa
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[0021]本申请的金刚石复相材料以金刚石为主相，以层状碳为晶界相。具体地，金刚石主相的体积含量为至本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石复相材料，其基本上由纯碳元素组成，并且由作为主相的金刚石微晶粒和分布于微晶粒间的晶界处的层状碳晶界相组成，其中，金刚石晶粒是由sp3结构的碳构成，层状碳晶界相由sp2结构的层状碳构成。2.如权利要求1所述金刚石复相材料，其中，所述金刚石主相的体积含量为50％～99％(优选地70％～96％或80％～95％)，所述层状碳晶界相的体积含量为1％～50％(优选地4％～30％或5％～20％)。3.如权利要求1或2所述金刚石复相材料，其维氏硬度大于30GPa，断裂韧性大于5MPa
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。4.如权利要求1或2所述金刚石复相材料，其中，所述金刚石主相的体积含量为50％～98％，所述层状碳晶界相的体积含量2％～50％，且所述层状碳晶界相弥散分布于金刚石晶粒周围，其维氏硬度大于30GPa，断裂韧性大于5MPa
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。5.如权利要求1或2所述金刚石复相材料，其中，所述金刚石主相的体积含量为至少90％，所述层状碳晶界相的体积含量至多10％，且所述层状碳晶界相仅分布于金刚石晶界交汇处，其维氏硬度大于50GPa，断裂韧性大于12MPa
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。6.如权利要求1或2所述金刚石复相材料，其呈块体材料的形式。7.一种权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵智胜，刘兵，罗坤，孙磊，陈俊云，何巨龙，于栋利，柳忠元，胡文涛，徐波，田永君，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：