CN102068943A - 片状褐色立方氮化硼单晶的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片状褐色立方氮化硼单晶的合成方法，它采用六角氮化硼为原料，其特征在于：以氮化锂为触媒，以金属铝作为添加剂，通过高温高压合成细颗粒立方氮化硼，合成原料按重量配比为：六角氮化硼∶氮化锂∶铝=1∶0.1∶0.01~0.05，合成温度为1400-1600 ^oC，合成压力为5.0-5.5GPa，合成时间为5-30分钟；合成得到的细颗粒立方氮化硼后经过化学处理得到褐色片状立方氮化硼单晶。该方法与现有技术相比可以解决现有技术工艺较复杂，制造成本高以及获得晶形完整性差的问题。

Description

片状褐色立方氮化硼单晶的合成方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超硬材料制造技术领域，特别是以氮化硼为原料合成制造超硬质材料的方法。

背景技术

立方氮化硼（cBN）有着极高的硬度，被作为一种研磨材料广泛的应用于工业当中。虽然立方氮化硼的硬度小于金刚石，但是由于它对铁族元素及其合金有着极强的化学惰性，因此，特别适用于加工铁族元素。通常立方氮化硼是在温度为2000 ^oC的高温和压力为10GPa的高压下由六角氮化硼直接转化而成的，在有触媒的情况下，合成立方氮化硼的条件很大程度的降低。常用的合成立方氮化硼的触媒有碱金属、碱土金属，以及它的氮化物和硼氮化物。在高温高压下立方氮化硼的转变过程中，这些触媒与六角氮化硼有着共熔的关系，大大的降低了立方氮化硼析出的温度和压力。立方氮化硼按照其颜色分类大概有无色、白色、黄色、琥珀色、褐色以及黑色六类，不同颜色的立方氮化硼的成因有很多种，一般来说与合成立方氮化硼所用的触媒、合成立方氮化硼的温度以及立方氮化硼晶体中的包裹体有关。

目前没有与本发明相近的现有技术。根据Al经常作为在合成立方氮化硼复合体的一个添加剂，通过在高温高压下与立方氮化硼单晶反应形成Al的一些化合物，例如AlN、AlB₂或者AlB₁₂等，这些化合物可以使立方氮化硼之间紧密的粘结在一起，从而合成出致密、耐磨的立方氮化硼复合体，这种技术记载于Z.R. Xiao, T. Tsurumi, O. Fukunaga, T. Yano, Diamond and Relat. Mater 11(2002)280; Y.J. Li, S.C. Li, Ran Lv, etc., J. Mater. Res.23 (2008) 2366中。目前，Al已经成为了立方氮化硼复合体合成过程中最常用的添加剂之一，在工业上被广泛的应用。

基于以上的认识，在高温高压下，铝对立方氮化硼具有较高的化学活性。并且铝能在高温高压下和硼、氮、碳、氧等元素反应，熔点低。由于铝在地壳中的分布很广，含量仅次于铁，为第二大金属，铝在工业上容易制备，价格便宜。但是目前为止，很少有研究者研究Al在高温高压下对合成立方氮化硼单晶的合成，因此，有必要研究铝在高温高压下合成立方氮化硼过程中的影响。通过我们研究发现，铝在立方氮化硼合成的过程具有的重要的作用，有助于形成片状褐色的立方氮化硼单晶。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种片状褐色立方氮化硼的合成方法，这种方法可以解决现有技术工艺较复杂，制造成本高以及获得晶形完整性差的问题。

本发明所述的这种片状褐色立方氮化硼的合成方法，以氮化锂为触媒，以金属铝作为添加剂，通过高温高压合成细颗粒立方氮化硼，合成原料按重量配比为：六角氮化硼：氮化锂：铝=1:0.1：0.01～0.05，合成温度为1400～1600^oC，合成压力为5.0～5.5 GPa合成时间为5～30分钟，合成后得到含有细颗粒立方氮化硼的合成料。

上述方法中六角氮化硼的纯度可选择≥95%；金属铝的纯度可选择≥99%；合成后得到含有细颗粒立方氮化硼的合成料经过酸、碱浸泡后用清水清洗得到高纯度的褐色片状立方氮化硼单晶。

高温高压下的合成，可以在两面顶压机或是六面顶压机等超硬材料专用压机上进行。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有下列有益效果：

1．合成的产物能够得到褐色且晶形完整、具有111晶面的立方氮化硼晶体，并使合成得到的立方氮化硼的晶形趋向于褐色的片状；

2．即便采取最简单的一次升温升压工艺便可以使合成获得成功，使合成工艺大大简化，提高了生产的可操作性，适用于工业化生产。

具体实施方式

实施例1：

将纯度≥95%的六角氮化硼、氮化锂和纯度≥99%的铝按重量比分别为六角氮化硼：氮化锂：铝=1:0.1：0.01进行均匀混合，然后并预压成圆柱状棒料，再装入石墨管中，由于棒料本身为绝缘体，因此，在棒料和石墨管之间无需加入绝缘套管，棒料略低于石墨管，放入叶腊石合成组装块中，在国产六面顶压机上进行高温高压合成。在压力为5.0GPa、温度为1550 ^oC的条件下，保温保压5分钟；停止加热后等待2分钟，缓慢降压至常压，然后取出棒料置于硫酸：硝酸：水=1：3：10的酸液中煮沸半小时，清洗后再置于30%的氢氧化钠水溶液中煮沸半小时，然后用纯净水清洗得到高纯度的褐色片状立方氮化硼单晶。该例获得褐色片状立方氮化硼单晶的转化率为65%。

实施例2：

将纯度≥95%的六角氮化硼、氮化锂和纯度≥99%的铝按重量比分别为六角氮化硼：氮化锂：铝=1:0.1：0.02进行均匀混合，然后并预压成圆柱状棒料，再装入石墨管中，由于棒料本身为绝缘体，因此，在棒料和石墨管之间无需加入绝缘套管，棒料略低于石墨管，放入叶腊石合成组装块中，在国产六面顶压机上进行高温高压合成。在压力为5.0GPa、温度为1550 ^oC的条件下，保温保压8分钟；停止加热后等待2分钟，缓慢降压至常压，然后取出棒料置于硫酸：硝酸：水=1：3：10的酸液中煮沸半小时，清洗后再置于30%的氢氧化钠水溶液中煮沸半小时，然后用纯净水清洗得到高纯度的褐色片状立方氮化硼单晶。该例获得褐色片状立方氮化硼单晶的转化率为67%。

实施例3：

将纯度≥95%的六角氮化硼、氮化锂和纯度≥99%的铝按重量比分别为六角氮化硼：氮化锂：铝=1:0.1：0.03进行均匀混合，然后并预压成圆柱状棒料，再装入石墨管中，由于棒料本身为绝缘体，因此，在棒料和石墨管之间无需加入绝缘套管，棒料略低于石墨管，放入叶腊石合成组装块中，在国产六面顶压机上进行高温高压合成。在压力为5.0GPa、温度为1550 ^oC的条件下，保温保压30分钟；停止加热后等待2分钟，缓慢降压至常压，然后取出棒料置于硫酸：硝酸：水=1：3：10的酸液中煮沸半小时，清洗后再置于30%的氢氧化钠水溶液中煮沸半小时，然后用纯净水清洗得到高纯度的褐色片状立方氮化硼单晶，该例获得褐色片状立方氮化硼单晶的转化率为70%。

实施例4：

将纯度≥95%的六角氮化硼、氮化锂和纯度≥99%的铝按重量比分别为六角氮化硼：氮化锂：铝=1:0.1：0.04进行均匀混合，然后并预压成圆柱状棒料，再装入石墨管中，由于棒料本身为绝缘体，因此，在棒料和石墨管之间无需加入绝缘套管，棒料略低于石墨管，放入叶腊石合成组装块中，在国产六面顶压机上进行高温高压合成。在压力为5.0GPa、温度为1580 ^oC的条件下，保温保压8分钟；停止加热后等待2分钟，缓慢降压至常压，然后取出棒料置于硫酸：硝酸：水=1：3：10的酸液中煮沸半小时，清洗后再置于30%的氢氧化钠水溶液中煮沸半小时，然后用纯净水清洗得到高纯度的褐色片状立方氮化硼单晶，该例获得褐色片状立方氮化硼单晶的转化率为67%，其中褐色片状立方氮化硼单晶的晶形完整率略低于上述实施例1-3的结果。

实施例5：

将纯度≥95%的六角氮化硼、氮化锂和纯度≥99%的铝按重量比分别为六角氮化硼：氮化锂：铝=1:0.1：0.05进行均匀混合，然后并预压成圆柱状棒料，再装入石墨管中，由于棒料本身为绝缘体，因此，在棒料和石墨管之间无需加入绝缘套管，棒料略低于石墨管，放入叶腊石合成组装块中，在国产六面顶压机上进行高温高压合成。在压力为5.0GPa、温度为1580 ^oC的条件下，保温保压8分钟；停止加热后等待2分钟，缓慢降压至常压，然后取出棒料置于硫酸：硝酸：水=1：3：10的酸液中煮沸半小时，清洗后再置于30%的氢氧化钠水溶液中煮沸半小时，然后用纯净水清洗得到高纯度的褐色片状立方氮化硼单晶。该例获得褐色片状立方氮化硼单晶的转化率为68%，该例获得褐色片状立方氮化硼单晶的晶形完整率略低于上述实施例1-3的结果。

Claims (3)

1.一种片状褐色立方氮化硼单晶的合成方法，它采用六角氮化硼为原料，其特征在于：以氮化锂为触媒，以金属铝作为添加剂，通过高温高压合成细颗粒立方氮化硼，合成原料按重量配比为：六角氮化硼：氮化锂：铝=1:0.1：0.01～0.05，合成温度为1400～1600^oC，合成压力为5.0～5.5 GPa合成时间为5～30分钟；合成后得到含有细颗粒立方氮化硼的合成料料。

2.根据权利要求1所述的片状褐色立方氮化硼单晶的合成方法，其特征在于：所用的六角氮化硼的纯度≥95%，所用的铝的纯度≥99%。

3.根据权利要求1或2所述的片状褐色立方氮化硼单晶的合成方法，其特征在于：合成后得到含有细颗粒立方氮化硼的合成料分别经过酸、碱浸泡处理后用水清洗得到高纯度的褐色片状立方氮化硼单晶。