CN106582448A - 一种水热合成碳球制备聚晶金刚石微米球的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水热合成碳球制备聚晶金刚石微米球的方法，属于材料制备领域。该方法是以0.1‐0.2mol/L的葡萄糖溶液为原料，利用水热法在200℃烘箱中恒温24小时合成碳微米球；制备的碳微米球分散到球磨得到的氯化钠超细粉体中形成的混合物为原料，装入模具压制成型，脱模后装入氧化镁埚中，与传压介质氧化镁、铼管炉、铬酸镧圈、氧化铝柱组成组装块，放入烘箱120℃恒温3‐4小时；取出组装块置于高温高压装置中，在超高压下，高温反应，得到聚晶金刚石微米球。本发明制备聚晶金刚石微米球不添加任何催化剂，获得的金刚石微米球大小均匀，块体致密，维氏硬度达到60‐80GPa。

Description

一种水热合成碳球制备聚晶金刚石微米球的方法
技术领域
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种水热合成碳球制备聚晶金刚石微米球的方法。
背景技术
金刚石是自然界已知最硬的物质，具有优异的抗压强度，耐磨性能，热传导率等性能，在材料、工业及军事等领域应用非常广泛。天然的金刚石单晶用于金刚石对顶砧装置，工作压力可达上百GPa，是目前静高压研究中最主要的研究手段。但是由于金刚石对顶砧中金刚石的台面一般在30-500微米，其最高压力受到了局限。近年来俄罗斯、美国等国学者尝试在金刚石对顶砧中放入更小的金刚石颗粒作为二级压砧，以获得更高压力，取得了一定的进展。由于金刚石单晶体的各向异性及微粒的加工困难，影响了其应用。
传统工业上普遍应用的人造聚晶金刚石烧结体是以金刚石微粉为主，与其它多种起到粘结剂或触媒作用的添加剂，如Co、Ni、B、Ti、Mn等粉末均匀混合后，在高温超高压条件下制造的，一般为1400-1650℃，5-7GPa。它在宏观上表现出各向同性和较高的硬度，在航空航天、制造业等领域得到了广泛应用。但是，人造聚晶金刚石由于颗粒度较大，很难达到金刚石对顶砧内二级压砧的要求，而且，传统人造聚晶金刚石材料含有的粘结剂或催化剂，严重影响了人造聚晶金刚石的硬度、热稳定性。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用水热合成碳微米球制备块体致密、韧性好的高性能聚晶金刚石微米球的方法。
本发明主要是采用葡萄糖为原料，采用水热法合成了碳微米球，之后将合成的碳微米球分散至球磨的氯化钠粉体中，无其他任何催化剂，经高温高压制备聚晶金刚石微米球；具体步骤如下：
(1)用葡萄糖和去离子水配置成0.1～0.2mol/L葡萄糖溶液，将该溶液密封在水热反应釜中，反应釜置于烘箱内，200℃水热条件恒温24小时；之后从烘箱中取出反应釜，打开反应釜，将固体产物经洗涤、离心、干燥后得到碳微米球。
(2)将步骤(1)得到的碳微米球和球磨氯化钠粉体按照质量比1：20震荡混合，装入预制模具中，常温下在普通液压机上压制成块。
(3)将步骤(2)得到的压制块脱模后装入氧化镁埚中，然后与传压介质氧化镁八面体、铼管炉、铬酸镧管、氧化铝柱组成组装块放入烘箱中，在120℃恒温3～4小时。
(4)将步骤(3)烘箱中的组装块取出置于高温高压装置中，升压到16‐20GPa，在此压力下升温至1700～2000℃保温10分钟后停止加热，温度降至100℃以下，缓慢卸除压力，取出组装块，去除组装件，水洗去除氯化钠，得到聚晶金刚石微米球。
进一步的，所用步骤(2)球磨氯化钠粉体是：将氯化钠放入碳化硅球磨罐中球磨3～4小时，得到氯化钠超细粉体；所述碳化硅球与氯化钠的质量比15～20:1，球磨机转速为600～800转/分。
进一步的，所述步骤(3)组装块的组装方法是：首先将铬酸镧管塞入氧化镁八面体，然后将铼管炉装入铬酸镧管中，再将装填上压制块的氧化镁埚置于铼管炉的通孔内，最后在氧化镁埚的两侧塞入氧化铝柱，完成组装。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1.本发明采用水热合成的碳球为原料制备聚晶金刚石微米球，碳球的大小可控、均匀。
2.本发明仅利用氯化钠粉体作为分散剂，碳球彼此隔绝，直接由碳微米球在超高压下转变为聚晶金刚石微米球，有效的避免了制备过程中金刚石的聚合。
3.本发明制备聚晶金刚石微米球不添加任何催化剂，避免了催化剂对金刚石性能的影响。
4.本发明获得的聚晶金刚石微米球大小均匀、块体致密。
5.本发明制备的聚晶金刚石微米球维氏硬度为60-80GPa，远高于添加了催化剂的传统聚晶金刚石。
6.本发明制备的聚晶金刚石微米球可以作为金刚石对顶砧高压装置中的二级压砧，可有效提高设备所能获得的最大压力。
附图说明
图1为实施例1水热合成碳球的X射线衍射图。
图2为实施例1水热合成碳球的扫描电子显微镜测试图。
图3为本发明组装块的剖视示意图。
图4为实施例1的光学显微镜样品照片。
图5为实施例1聚晶金刚石微米球的拉曼测试光谱图。
图6为实施例2聚晶金刚石微米球的扫描电镜测试图。
图7为实施例3聚晶金刚石微米球表面的扫描电镜测试图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
取0.01mol葡萄糖融入100ml去离子水中配成0.1mol/L的葡萄糖溶液，取16ml上述溶液装入20ml反应釜中，将反应釜拧紧密封，常温置于烘箱内，烘箱升温速率200℃/h，200℃恒温24小时，然后从烘箱内取出反应釜，自然冷去至室温。打开反应釜，去除反应釜内溶液，将固体产物经水和乙醇各洗涤、离心3次后，放入60℃烘箱干燥10小时，得到碳微米球。X射线衍射测试表明材料中只含有碳，如图1所示；扫描电子显微镜测试表明材料为均匀的碳微米球，直径约为10‐15微米，如图2所示。
将4g氯化钠放入容积20ml碳化硅球磨罐中，加入直径5mm碳化硅研磨球，碳化硅研磨球和氯化钠质量比为15:1，设置转速600转/分，球磨15分钟后暂停15分钟，累计球磨3小时，得到氯化钠粉体。
将0.05g碳微米球和1g氯化钠粉体震荡混合，使碳微米球均匀分布于氯化钠粉体中。取一定量上述混合物装入到预制模具中，在常温下于普通液压机上经40MPa预压成型，压制成直径1.2毫米高度1.5毫米圆柱形压制块。将圆柱形压制块装入氧化镁埚中；将铬酸镧管塞入氧化镁八面体，然后将铼管炉装入铬酸镧管中，将装填上压制块的氧化镁埚置于铼管炉的通孔内，最后在氧化镁埚的两侧塞入氧化铝柱，完成组装，如图3所示。将组装块置于120℃烘箱内恒温干燥3小时。从烘干箱中取出组装块装入高温高压装置，首先将压力升至16GPa，在此压力下保持，并将温度升至1700℃，保持10分钟后停止加热，待温度自然降低到100℃，缓慢卸除压力，去除传压介质及铬酸镧管、铼管炉、氧化铝、氧化镁埚，得到样品，样品的显微镜光学照片显示金刚石为微米球状，均匀的分散在氯化钠内，如图4所示。将样品溶于水中去除氯化钠，得到聚晶金刚石微米球。拉曼测试结果表明材料为金刚石，如图5所示；扫描电子显微镜测试，微结构分析表明金刚石为微米球，其表面分布着纳米级金刚石颗粒，为聚晶金刚石微米球。维氏硬度测试结果表明材料的硬度为70GPa。
实施例2
将3g氯化钠放入容积20ml碳化硅球磨罐中，加入直径5mm碳化硅研磨球，碳化硅研磨球和氯化钠质量比为20:1，设置转速800转/分，球磨15分钟后暂停15分钟，累计球磨4小时，得到氯化钠粉体
将实施例1合成的碳微米球0.05g和1g氯化钠粉体震荡混合，使碳微米球均匀分布于氯化钠粉体中。取一定量上述混合物装入到预制模具中，装入重复实施例1的操作方法，组成组装块，将组装块放入烘箱中，在120℃恒温4小时。从烘干箱中取出组装块装入高温高压装置，首先将压力升至20GPa，在此压力下保持，并将温度升至2000℃，保持10分钟后停止加热，待温度自然降低到100℃，缓慢卸除压力，去除传压介质及铬酸镧管、铼管炉、氧化铝、氧化镁埚，得到样品。将样品溶于水中去除氯化钠，得到聚晶金刚石微米球。拉曼测试结果表明材料为金刚石；扫描电子显微镜测试，微结构分析表明金刚石为微米球，如图6所示，其表面分布着纳米级金刚石颗粒，为聚晶金刚石微米球。维氏硬度测试结果表明材料的硬度为80GPa。
实施例3
取0.02mol葡萄糖融入100ml去离子水中配成0.2mol/L的葡萄糖溶液，重复实例1的操作方法得到碳微米球。X射线衍射测试表明材料中只含有碳；扫描电子显微镜测试表明碳微米球尺寸在1‐5微米。
将0.05g碳微米球和1g按实施例2球磨的氯化钠粉体震荡混合，使碳微米球均匀分布于氯化钠粉体中。取一定量上述混合物装入到预制模具中取一定量上述混合物装入到预制模具中，装入重复实施例1的操作方法，组成组装块，将组装块放入烘箱中，在120℃恒温4小时。从烘干箱中取出组装块装入高温高压装置，首先将压力升至20GPa，在此压力下保持，并将温度升至2000℃，保持10分钟后停止加热，待温度自然降低到100℃，缓慢卸除压力，去除传压介质及铬酸镧管、铼管炉、氧化铝、氧化镁埚，得到样品。将样品溶于水中去除氯化钠，得到聚晶金刚石微米球。拉曼测试结果表明材料为金刚石；扫描电子显微镜测试，微结构分析表明金刚石为微米球，其表面分布着纳米级金刚石颗粒，如图7所示，为聚晶金刚石微米球。维氏硬度测试结果表明材料的硬度为75GPa。

Claims (3)

1.一种水热合成碳球制备聚晶金刚石微米球的方法，其特征在于：
(1)用葡萄糖和去离子水配置成0.1～0.2mol/L葡萄糖溶液，将该溶液密封在水热反应釜中，反应釜置于烘箱内，200℃水热条件恒温24小时；之后从烘箱中取出反应釜，打开反应釜，将固体产物经洗涤、离心、干燥后得到碳微米球；
(2)将步骤(1)得到的碳微米球和球磨氯化钠粉体按照质量比1：20震荡混合，装入预制模具中，常温下在普通液压机上压制成块；
(3)将步骤(2)得到的压制块脱模后装入氧化镁埚中，然后与传压介质氧化镁八面体、铼管炉、铬酸镧管、氧化铝柱组成组装块放入烘箱中，在120℃恒温3～4小时；
(4)将步骤(3)烘箱中的组装块取出置于高温高压装置中，升压到16‐20GPa，在此压力下升温至1700～2000℃保温10分钟后停止加热，温度降至100℃以下，缓慢卸除压力，取出组装块，去除组装件，水洗去除氯化钠，得到聚晶金刚石微米球。
2.如权利要求1所述的水热合成碳球制备聚晶金刚石微米球的方法，其特征在于，所用步骤(2)球磨氯化钠粉体是：将氯化钠放入碳化硅球磨罐中球磨3～4小时，得到氯化钠超细粉体；所述碳化硅球与氯化钠的质量比15～20:1，球磨机转速为600～800转/分。
3.如权利要求1所述的水热合成碳球制备聚晶金刚石微米球的方法，其特征在于，所述步骤(3)组装块的组装方法是：首先将铬酸镧管塞入氧化镁八面体，然后将铼管炉装入铬酸镧管中，再将装填上压制块的氧化镁埚置于铼管炉的通孔内，最后在氧化镁埚的两侧塞入氧化铝柱，完成组装。
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