CN106622031A - 一种新型二维复合超硬材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型二维复合超硬材料的制备方法，包括步骤：将石墨、触媒粉和富勒烯按比例混合均匀，压制成样胚，与配套的固定件组装；所述石墨和触媒粉重量百分比为：90%~99.95%，所述富勒烯的重量百分比为：0.05%~10%，所述石墨与触媒粉的质量比为：1~3:1；将组装块装入六面顶压机中合成，设定合成的压力5GPa‑15GPa，温度1100℃‑1700℃，合成时间15‑48min；将所述六面顶压机中合成的产品破碎、酸洗、烘干、筛分，得到新型二维复合超硬材料。本发明提供的新型二维复合超硬材料及其制备方法，制备的新型二维复合超硬材料静压强度高、热稳定性好。

Description

一种新型二维复合超硬材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合超硬材料领域，尤其涉及一种新型二维复合超硬材料及其制备方法。
背景技术
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或者化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。复合超硬材料主要是指以金刚石和立方氮化硼微粉等单晶超硬材料为主要原料，添加金属或非金属粘结剂通过超高压高温烧结工艺制成的聚晶复合材料。复合超硬材料广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、木材、建筑、汽车、家电等传统领域，电子信息、航天航空、国防军工等高技术领域。
复合超硬材料与单晶材料、硬质合金等传统材料相比具有硬度更高、耐磨性能更好、导热性能更高、加工性能更好等优势，使其在使用寿命、加工质量和加工效率等方面表现优异。目前，全球复合超硬材料制造行业的中高端产品主要由美日等国的企业垄断。我国超硬材料行业大而不强，特别是复合超硬材料领域，很长时间内一直由国外著名企业占据着高端市场，我国企业在产量和质量上均与国外著名企业有明显差距，大部分产品需要进口，所以国内超硬材料领域进口替代的需求巨大。而且，由于对复合超硬材料硬度缺乏系统的理论，因此现有技术中，国内生产的复合超硬材料的硬度一直都不高，只能应用于低端市场。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型二维复合超硬材料及其制备方法，制备的新型二维复合超硬材料静压强度高、热稳定性好。
一种新型二维复合超硬材料的制备方法，包括步骤：将石墨、触媒粉和富勒烯按比例混合均匀，压制成样胚，与配套的固定件组装；所述石墨和触媒粉重量百分比为：90%~99.95%，所述富勒烯的重量百分比为：0.05%~10%，所述石墨与触媒粉的质量比为：1~3:1；
将组装块装入六面顶压机中合成，设定合成的压力5GPa-15GPa，温度1100℃-1700℃，合成时间15-48min；
将所述六面顶压机中合成的产品破碎、酸洗、烘干、筛分，得到新型二维复合超硬材料。
可选的，所述触媒粉由钴、镍和铁制成。
一种新型二维复合超硬材料，由石墨、触媒粉和富勒烯制成，所述石墨和触媒粉重量百分比为：90%~99.95%，所述富勒烯的重量百分比为：0.05%~10%，由石墨和触媒粉质量比为：1~3:1。
可选的，所述触媒粉由钴、镍和铁制成。
富勒烯独特的分子结构决定了其具有独特的物理化学性质，富勒烯的60个P轨道构成的大π键共轭体系使得它兼具有给电子和受电子的能力。C60是特别稳定的芳香族分子，含有12500个共振结构式，每个碳原子以sp2.28轨道杂化，类似于C-C单键和C＝C双键交替相接，整个碳笼表现出缺电子性，可以在笼内、笼外引入其它原子或基团。它和其它芳香烃不同，分子中不含氢原子和其它基团，所有的C-C键都固定在球壳上，不能发生取代反应，但是其衍生物则可以。C60在一定条件下，能发生一系列化学反应，如亲核加成反应、自由基加成反应、光敏化反应、氧化反应、氢化反应、卤化反应、聚合反应以及环加成反应等，其中环加成反应是富勒烯化学修饰的重要途径, 迄今为止有关这一反应的报道在所有富勒烯化学修饰反应中是最多的, 通过它可以合成多种类型的富勒烯衍生物。
在本发明的发明过程中，发明人使用石墨烯替代富勒烯和石墨、触媒粉作为原料制作复合超硬材料，结果做出的复合超硬材料各种理化参数尤其是热稳定性和静压强度，都远远低于使用石墨、触媒粉和富勒烯制作的新型二维复合超硬材料。
本发明新型二维复合超硬材料，具有极好的热稳定性、极高的静压强度，其静压强度为900~950N，相对于现有技术中静压强度在300N以下的复合超硬材料，本发明的新型二维复合超硬材料相对于现有的超硬材料具有更优异的热稳定性，尤其是具有很高的静压强度和耐磨性，适用于切削工具、磨削工具等应用领域，具有极高的社会价值和经济效益。
具体实施方式
下面列出具体实施例对本发明做进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种新型二维复合超硬材料制备方法，步骤如下：
步骤1、将石墨、触媒粉和富勒烯按比例混合均匀，压制成圆柱形样胚；
该实施例中，石墨和触媒粉的重量占90%，富勒烯重量占10%，其中石墨和触媒粉重量比为：1：1；石墨、触媒粉和富勒烯的重量份数分别为：45%、45%和10%。触媒粉由钴、镍和铁制成。
步骤2、将圆柱形样胚和配套的固定件组装；
步骤3、将步骤2中制备的组装块装入六面顶压机中，控制压力在5GPa，温度在1700℃，合成时间48min；
步骤4、将步骤3中六面顶压机合成的产品破碎、酸洗、烘干、筛分，得到新型二维复合超硬材料。
本实施例制得新型二维复合超硬材料，测定静压强度为930N。
实施例2
一种新型二维复合超硬材料制备方法，步骤如下：
步骤1、将石墨、触媒粉和富勒烯按比例混合均匀，压制成圆柱形样胚；
该实施例中，石墨和触媒粉的重量占96%，富勒烯重量占4%，其中石墨和触媒粉重量比为：2：1；石墨、触媒粉和富勒烯的重量份数分别为：64%、32%和4%。
触媒粉由钴、镍和铁制成。
步骤2、将圆柱形样胚和配套的固定件组装；
步骤3、将步骤2中制备的组装块装入六面顶压机中，控制压力在8GPa，温度在1400℃，合成时间30min；
步骤4、将步骤3中六面顶压机合成的产品破碎、酸洗、烘干、筛分，得到新型二维复合超硬材料。
本实施例制得新型二维复合超硬材料，测定静压强度为950N。
实施例3
一种新型二维复合超硬材料制备方法，步骤如下：
步骤1、将石墨、触媒粉和富勒烯按比例混合均匀，压制成圆柱形样胚；
该实施例中，石墨和触媒粉的重量占92%，富勒烯重量占8%，其中石墨和触媒粉重量比为：3：1；石墨、触媒粉和富勒烯的重量份数分别为：69%、23%和8%。
触媒粉由钴、镍和铁制成。
步骤2、将圆柱形样胚和配套的固定件组装；
步骤3、将步骤2中制备的组装块装入六面顶压机中，控制压力在15GPa，温度在1100℃，合成时间15min；
步骤4、将步骤3中六面顶压机合成的产品破碎、酸洗、烘干、筛分，得到新型二维复合超硬材料。
本实施例制得新型二维复合超硬材料，测定静压强度为900N。
实施例4
一种新型二维复合超硬材料制备方法，步骤如下：
步骤1、将石墨、触媒粉和富勒烯按比例混合均匀，压制成圆柱形样胚；
该实施例中，石墨和触媒粉的重量占99.95%，富勒烯重量占0.05%，其中石墨和触媒粉重量比为：1：1。
触媒粉由钴、镍和铁制成。
步骤2、将圆柱形样胚和配套的固定件组装；
步骤3、将步骤2中制备的组装块装入六面顶压机中，控制压力在10GPa，温度在1400℃，合成时间35min；
步骤4、将步骤3中六面顶压机合成的产品破碎、酸洗、烘干、筛分，得到新型二维复合超硬材料。
本实施例制得新型二维复合超硬材料，测定静压强度为950N。
实施例5
一种新型二维复合超硬材料制备方法，步骤如下：
步骤1、将石墨、触媒粉和富勒烯按比例混合均匀，压制成圆柱形样胚；
该实施例中，石墨和触媒粉的重量占95%，富勒烯重量占5%，其中石墨和触媒粉重量比为：1：1。
触媒粉由钴、镍和铁制成。
步骤2、将圆柱形样胚和配套的固定件组装；
步骤3、将步骤2中制备的组装块装入六面顶压机中，控制压力在10GPa，温度在1400℃，合成时间35min；
步骤4、将步骤3中六面顶压机合成的产品破碎、酸洗、烘干、筛分，得到新型二维复合超硬材料。
本实施例制得新型二维复合超硬材料，测定静压强度为950N。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种新型二维复合超硬材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：将石墨、触媒粉和富勒烯按比例混合均匀，压制成样胚，与配套的固定件组装；所述石墨和触媒粉重量百分比为：90%~99.95%，所述富勒烯的重量百分比为：0.05%~10%，所述石墨与触媒粉的质量比为：1~3:1；
将组装块装入六面顶压机中合成，设定合成的压力5GPa-15GPa，温度1100℃-1700℃，合成时间15-48min；
将所述六面顶压机中合成的产品破碎、酸洗、烘干、筛分，得到新型二维复合超硬材料。
2.根据权利要求1所述的新型二维复合超硬材料的制备方法，其特征在于，所述触媒粉由钴、镍和铁制成。
3.一种新型二维复合超硬材料，其特征在于，由石墨、触媒粉和富勒烯制成，所述石墨和触媒粉重量百分比为：90%~99.95%，所述富勒烯的重量百分比为：0.05%~10%，由石墨和触媒粉质量比为：1~3:1。
4.根据权利要求3所述的新型二维复合超硬材料，其特征在于，所述触媒粉由钴、镍和铁制成。
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