一種新型合成金剛石材料

關鍵詞 新型金剛石|2022-08-19 14:35:06|來源 中國超硬材料網
摘要 ?以金剛石和立方氮化硼為代表的超硬材料及制品已廣泛應用于航天軍工、電子機械、精密制造、高速鐵路、地質勘探、礦物采掘等關系國計民生的各個領域,被譽為“戰略物資”。在《新材料產業“十二...

以金剛石和立方氮化硼為代表的超硬材料及制品已廣泛應用于航天軍工、電子機械、精密制造、高速鐵路、地質勘探、礦物采掘等關系國計民生的各個領域,被譽為“戰略物資”。在《新材料產業“十二五”發展規劃》以及《新材料產業十二五重點產品目錄》中均提出要發展高品級金剛石、高品級立方氮化硼和高效精密超硬材料制品,充分表明超硬材料的巨大經濟效益,及其在國家經濟、國防發展過程中不可替代的戰略地位。

       還存在比單晶金剛石硬度高的物質嗎?2003年日本人Irifune、Sumiya等報道,多晶石墨在12~25GPa、1600~2200℃的高壓、高溫條件下可發生相變直接轉化成納米聚晶金剛石。該納米聚晶金剛石的微觀結構由雜亂分布的多晶金剛石區域和層帶狀金剛石區域構成,這種特殊的微觀結構使納米聚晶金剛石塊體具有高達120~140GPa的努普硬度,高于單晶金剛石的(100)面和(001)面的硬度(約 115 GPa)。此后一年他們研究了這種納米聚晶金剛石的合成條件、硬度測定方法、微觀結構以及石墨-金剛石的轉化機制。

       2005年德國的Dubrovinskaia等人采用C60合成納米聚晶金剛石。2007~2013年間Irifune的研究小組進行了大量的關于納米聚晶金剛石的研究工作:通過比較由不同碳源(多晶石墨、無定形碳、玻璃碳、C60)合成所得的納米聚晶金剛石塊體的努普硬度以及壓痕處的微觀結構,得出納米聚晶金剛石中層帶狀結構的金剛石層有利提高塊體硬度的結論;研究了在15GPa、1500~1900℃的條件下不同碳源(準非晶煙塵、炭黑、熱處理炭黑、多晶石墨和高定向熱解石墨)中納米金剛石成核的情況;在更低的壓力范圍成功制備出納米聚晶金剛石;研究了初始石墨結構對納米聚晶金剛石微觀結構的影響;采用高定向石墨合成整體為層狀結構的納米聚晶金剛石塊體。 

       含有層帶狀微觀結構的納米聚晶金剛石的硬度高于單晶金剛石的現象,為硬度的理論解釋提出了新的問題。迄今為止關于物質的硬度已有多種理論解釋,其中一些理論計算的硬度值同實驗測量值之間已經能吻合的較好。比如有理論認為物質的硬度取決于晶體結構中結合鍵的鍵長、鍵密度、鍵的離子性、金屬度、軌道形式等,該理論通過第一性原理計算獲得的物質硬度值與實驗值也較為一致。但是迄今為止關于硬度的解釋都是針對單晶而言。而對于由多晶粒組成的物體,關于晶粒尺寸、界面形貌及分布、界面微觀結構及晶粒間結合方式等因素對物質硬度的影響卻了解極少,更沒有系統的理論。致使更高硬度的材料合成具有相當大的盲目性。非常需要開展系統深入的研究。

       基于這一啟發,我們對傳統的金剛石合成工藝進行改進,并獲得了一種新型的金剛石材料,并對新合成的金剛石進行了比較系統的測試。

       新合成材料的粒度測試如表1-1所示:

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       由表1-1的數據可以看出,新合成材料的粒度主要集中在25/30,所以隨機抽取了98粒進行靜壓實驗,實驗數據如表1-2:

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       為了對比某企業現有的生產工藝合成的金剛石,我們隨機選取某企業未篩分的金剛石產品,粒度同樣為25/30的金剛石產品進行了靜壓實驗,結果如表1-3:

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        由表1-2可以看出對經過選型的金剛石隨機進行靜壓實驗,得出的數據跨度比較大,從143.5-928.4N,其平均數據為365.4N。由表1-3可以得出某企業的現有金剛石硬度的平均數據為145.6N,對比這兩組數據可以看出我們新合成的材料硬度值已遠超現有金剛石,如果合成的料再經過篩分和選型,加工工藝進一步優化調整,這一數據會有更大的提高。

       為了更直觀的看到新合成材料的表面形貌,我們對生產的樣品做了SEM分析,如圖1-1:

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       從得到的SEM圖可以看出材料表面在未經過人工處理的情況下,其表面呈現層狀紋路,與現有的金剛石不同,為了進一步分析新合成的材料,我們又對樣品做了XRD和拉曼測試。

       對新合成材料的樣品做了XRD測試,其數據如圖1-2所示:

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       從圖中可以看出,金剛石在(400)晶格方向衍射峰很強,呈片狀生長。

       對新合成材料的樣品做了拉曼測試,如圖1-3所示:

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       從圖1-3可以看出,新合成材料的樣品在1332.25cm-1出現金剛石特征峰,在圖中并沒有看到有別的峰出現,說明生成的結晶很好。

       基于以上分析和測試結果,我們合成的這種新型金剛石材料,與現有的金剛石形態不同,它具有更高的強度。經過我們的實驗和分析,我們只是初步了解了這種新合成材料的理論性和可行性,但是還有一些基礎性的知識,比如新材料成核后壓力、溫度和時間條件對晶粒生長的影響,晶粒尺寸對材料力學性能的影響等缺乏系統的研究。這些基本問題的解決將更好地指導我們在適宜的條件下獲得更高硬度、高性能的新材料。

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