CN106757333A - 一种类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法 - Google Patents

一种类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106757333A
CN106757333A CN201710069372.3A CN201710069372A CN106757333A CN 106757333 A CN106757333 A CN 106757333A CN 201710069372 A CN201710069372 A CN 201710069372A CN 106757333 A CN106757333 A CN 106757333A
Authority
CN
China
Prior art keywords
diamond
polycrystalline diamond
dlc
sintering
pure phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710069372.3A
Other languages
English (en)
Inventor
王海阔
任瑛
刘俊龙
仝菲菲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henan University of Technology
Original Assignee
Henan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan University of Technology filed Critical Henan University of Technology
Priority to CN201710069372.3A priority Critical patent/CN106757333A/zh
Publication of CN106757333A publication Critical patent/CN106757333A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/04—Diamond
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B1/00—Single-crystal growth directly from the solid state
    • C30B1/10—Single-crystal growth directly from the solid state by solid state reactions or multi-phase diffusion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B1/00—Single-crystal growth directly from the solid state
    • C30B1/12—Single-crystal growth directly from the solid state by pressure treatment during the growth

Abstract

本发明公开了一种类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法，本发明的方法采用类金刚石粉末为原材料，经净化除杂、预压成型后，不添加任何粘结剂，装配烧结单元，直接经高温超高压烧结制备纯相多晶金刚石。制备得到的多晶金刚石的晶粒尺寸为5纳米‑100微米，大面积形成高强度的金刚石—金刚石成键的界面。这使得本发明的多晶金刚石的硬度与金刚石单晶硬度相当；热稳定性，硬度，及耐磨性明显优于含金属或陶瓷粘结剂的多晶金刚石。

Description

一种类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法
技术领域
本发明涉及一种以类金刚石粉末为原材料，通过净化处理、预压成型，在高温超高压条件下制备高性能多晶金刚石的方法，属于无机非金属材料领域。
背景技术
金刚石是自然界中已知最硬的物质，具有极高的耐磨性、抗压强度、散热速率，金刚石单晶价格昂贵且具有解离面，工业中很多领域使用性价比更高的多晶金刚石材料来代替金刚石单晶。多晶金刚石被广泛应用于非铁金属和不含铁合金的切削加工，石油天然气及矿业勘采，木质地板加工等领域。
传统的多晶金刚石是在金刚石微粉中加入Co、Ni、TiC、TiN 等金属或陶瓷粉末均匀混合后，在高压高温下烧结而成的一种超硬复合材料，它在宏观上表现出各向同性和较高的硬度及韧性，在某些方面的应用性能优于单晶金刚石。但是，传统人造多晶金刚石材料由于粒度较大，很难达到用于超精细切削刀具刃口的平整度和锋利度。另外，传统人造多晶金刚石材料大多含有粘结剂，如：Co、Ni等，严重影响多晶金刚石材料的硬度、耐磨性、热稳定性。为了解决传统多晶金刚石的以上问题，近年来，出现了金刚石微粉不加烧结助剂直接在高温高压下制备多晶金刚石的技术；另外，发展了采用石墨、非晶碳等碳源为初始材料合成多晶金刚石的技术，提高了多晶金刚石的性能。但是，采用金刚石微粉为初始材料合成多晶金刚石容易在晶界处产生孔洞；采用石墨、非晶碳等碳源为初始材料合成多晶金刚石需要的温度压力（强）很高，生产成本高居不下。
类金刚石碳是一类含有金刚石结构（sp3杂化键）和石墨结构（sp2杂化键）的亚稳非晶态物质，可以分为含氢的类金刚石（a-C:H）和不含氢的类金刚石(a-C)两类。其中sp3/sp2杂化键含量的比例决定了类金刚石碳结构及性能的不同，sp3杂化键与金刚石中的键很相似决定其力学性能，而sp2杂化键与石墨中的键很相似决定其光学和电学性能。利用类金刚石粉末为原材料，在高温超高压下制备高性能多晶金刚石的报道还未出现。
发明内容
本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种以类金刚石粉末为原材料，通过对原材料净化处理、预压成型，在高温超高压下制备高性能多晶金刚石材料的方法。
本发明的目的可通过下述技术措施来实现：
本发明的类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法在高温高压条件下，采用类金刚石粉末为原材料制备而成；步骤如下：
a、真空高温处理，净化类金刚石表面：将酸溶除杂后的类金刚石粉末放入真空炉中（具体说，将酸溶除杂后的原料微粉用刚玉坩埚陈放，并用盖子盖住，放入真空炉处理腔中），在真空度优于4x10-3Pa、温度为500-1000℃的条件下进行处理，处理时间为1-3小时；（酸溶除杂可得到高纯度类金刚石粉末初始材料，若原料本身很纯，可以不再进行此步骤。除杂的工艺流程为：连续酸溶、粉液分离洗涤、加热烘干三道工序。其中酸的种类，浓度和与原料的比值可根据具体情况适当变动）；
b、装配烧结单元：将步骤a处理净化后的类金刚石粉末放入包裹材料中，预压成型后，放入高压合成装置的样品腔中；所述的包裹材料为表面打磨和抛光、进行去油、超声波清洗、红外烘干的钽箔包裹材料；
c、高温高压烧结：在烧结压力为4-20GPa、烧结温度为1000-2700℃的条件下烧结10-1800秒；烧结完毕后缓慢降温至室温，然后开始降压；使类金刚石粉末转化为纯相金刚石，得到高性能多晶金刚石块体材料；
d、后续加工：将步骤c所得多晶金刚石块体材料放入酸液中去除包裹材料，采用金刚石磨片打磨样品至光亮。
本发明步骤d中所述酸液是由浓度为30%氢氟酸与浓度为40%硝酸混合而成，其中氢氟酸与硝酸的体积比为1∶1。
本发明利用高温超高压条件，使原材料中类金刚石转化为纯相金刚石，且金刚石晶粒均匀分布，大面积形成结合紧密、高强度的金刚石--金刚石直接成键合，所述多晶金刚石块体材料的晶粒尺寸为5 nm—100um。
本发明是利用高温超高压条件下制备的高性能多晶金刚石。六面顶压机是目前生产金刚石微粉，烧结传统人造多晶金刚石的主要设备。本发明可以在现有设备的基础上，大规模制备高性能多晶金刚石材料。
本发明的有益效果如下：
本发明的多晶金刚石材料，采用类金刚石粉末为原料，利用高温超高压条件，使类金刚石原材料转化为纯相的金刚石，形成结合紧密、高强度的金刚石—金刚石成键界面，最终烧结成多晶金刚石，多晶金刚石的晶粒尺寸为5 nm—100um。这种高性能多晶金刚石材料不添加金属粘结剂，而是利用高温超高压条件，使类金刚石原材料转化为纯相的金刚石，且通过压力和温度的控制，调控多晶金刚石的微结构，得到晶粒尺寸为5 nm—100um的多晶金刚石。
本发明所述的高性能多晶金刚石的硬度与天然的金刚石单晶硬度相当，热稳定性及切削性能也明显优于含粘结剂的传统人造金刚石聚晶。这种材料不仅可作为普通切削刀具材料，也可作为超高精度切削刀具材料。
附图说明
图1本发明工艺流程图。
图2烧结单元装配图。
图中序号：1 叶腊石，2 白云石， 3 热电偶，4 石墨，5 钢碗，6 钛片，7 样品，8，陶瓷管 9，钽杯。
具体实施方式
本发明以下将结合实施例（附图）作进一步描述：
实施例1：
1、选用平均粒径为0-2μm的类金刚石粉末，按照图1所示的工艺流程图制备出高性能多晶金刚石材料。
2、将类金刚石粉末先放入浓度为20%-40%的氢氟酸中处理，处理完毕后，待粉末沉降完毕，倒去液体，并用去离子水重复稀释至接近中性。将氢氟酸处理后的粉末置于浓度为20%-38%的盐酸中，酸与粉末的加入量比值为2毫升/克拉 （ml/ct），水浴加热70℃并连续搅拌，处理时间为72小时；处理完毕后，待微粉沉降完毕，倒去液体，并用去离子水重复稀释至接近中性。以上酸溶除杂过程反复进行3-5次后，在烧杯中沉降粉末，沉降完毕后倒去液体，留下粉末，将留下的粉末放入加热炉进行烘干处理，处理温度为70℃，直至烘干。
3、再进行真空高温处理，将除杂后的粉末用刚玉坩埚陈放，并用盖子盖住，放入真空炉处理腔，处理真空度为4x10-3Pa，温度为800℃，处理1小时，去除金刚石表面吸附的氧、氮、水蒸气等杂质。
4、按照烧结单元装配图组装烧结单元，如图2所示。先打磨和抛光包裹材料（9）钽箔表面，进行去油、超声波清洗、红外烘干处理；将净化处理后的类金刚石粉末放入包裹中，预压成型，并按照装配图组装烧结单元组；高温高压烧结时，烧结压力为10 GPa,烧结温度为1800℃,烧结时间为1000秒，烧结完毕后缓慢降温至室温，然后开始降压；降温降压后，将样品放入浓度30%氢氟酸20ml与浓度40%硝酸20ml组成的混合酸中去除包裹材料钽箔，采用金刚石磨片打磨样品至光亮。
采用此工艺制备的高性能多晶金刚石材料物相只含金刚石相，且通过压力和温度的控制，使类金刚石原材料转化为纯相的金刚石，调控多晶金刚石的微结构，得到晶粒尺寸为5 nm—100um的多晶金刚石。此材料具有高硬度和致密度，高的热稳定性，耐磨性和韧性，是一种性能非常优越的超硬材料。
实施例２
本实施例的步骤1、2与实施例1相同，不再重复。
3、再进行真空高温处理，将除杂后的粉末用刚玉坩埚陈放，并用盖子盖住，放入真空炉处理腔，处理真空度为4x10-3Pa，温度为1000℃，处理2小时，去除金刚石表面吸附的氧、氮、水蒸气等杂质。
4、按照烧结单元装配图组装烧结单元，如图2所示。先打磨和抛光包裹材料（9）钽箔表面，进行去油、超声波清洗、红外烘干处理；将净化处理后的类金刚石粉末放入包裹中，预压成型，并按照装配图组装烧结单元组；高温高压烧结时，烧结压力为10 GPa,烧结温度为2300℃,烧结时间为600秒，；保温完毕后缓慢降温至室温，然后开始降压，；降温降压后，将样品放入浓度30%氢氟酸20ml与浓度40%硝酸20ml组成的混合酸中去除包裹材料钽箔，采用金刚石磨片打磨样品至光亮。

Claims (3)

1.一种类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
a、真空高温处理，净化类金刚石表面：将酸溶除杂后的类金刚石粉末放入真空炉中，在真空度优于4x10-3Pa、温度为500-1000℃的条件下进行处理，处理时间为1-3小时；
b、装配烧结单元：将步骤a处理净化后的类金刚石粉末放入包裹材料中，预压成型后，放入高压合成装置的样品腔中；
c、高温高压烧结：在烧结压力为4-20 GPa、烧结温度为1000-2700℃的条件下烧结10-1800秒；烧结完毕后缓慢降温至室温，然后开始降压；使类金刚石粉末转化为纯相金刚石，得到高性能多晶金刚石块体材料；
d、后续加工：将步骤c所得多晶金刚石块体材料放入酸液中去除包裹材料，采用金刚石磨片打磨样品至光亮。
2.根据权利要求1所述的类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法，其特征在于：步骤d中所述酸液是由浓度为30%氢氟酸与浓度为40%硝酸混合而成，其中氢氟酸与硝酸的体积比为1∶1。
3.根据权利要求1所述的类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法，其特征在于：所述多晶金刚石块体材料的晶粒尺寸为5 nm—100um。
CN201710069372.3A 2017-02-08 2017-02-08 一种类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法 Pending CN106757333A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710069372.3A CN106757333A (zh) 2017-02-08 2017-02-08 一种类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710069372.3A CN106757333A (zh) 2017-02-08 2017-02-08 一种类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106757333A true CN106757333A (zh) 2017-05-31

Family

ID=58956768

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710069372.3A Pending CN106757333A (zh) 2017-02-08 2017-02-08 一种类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106757333A (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108187586A (zh) * 2017-12-05 2018-06-22 广东钜鑫新材料科技股份有限公司 一种聚晶金刚石的加工方法
CN108187587A (zh) * 2017-12-22 2018-06-22 郑州中南杰特超硬材料有限公司 纯相大尺度多晶金刚石及其合成方法与应用
CN109519489A (zh) * 2018-12-23 2019-03-26 王泰峰 一种耐磨制动盘及其制造方法
CN111592356A (zh) * 2020-06-09 2020-08-28 欧阳晓平 一种多晶SiC—B4C—金刚石三层复合材料及其制备方法
CN114573349A (zh) * 2022-04-07 2022-06-03 南方科技大学 一种聚晶金刚石及其制备方法和用途
CN114763307A (zh) * 2021-01-15 2022-07-19 燕山大学 层状碳晶界相增韧的金刚石复相材料及其制备方法
CN115228373A (zh) * 2022-05-09 2022-10-25 蒋孟瑶 一种多晶金刚石及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101228095A (zh) * 2005-07-21 2008-07-23 住友电气工业株式会社 高硬度多晶金刚石及其制备方法
CN103331129A (zh) * 2013-08-07 2013-10-02 四川大学 利用铰链式六面顶压机制备高性能聚晶金刚石的方法
CN105401034A (zh) * 2015-12-12 2016-03-16 河南广度超硬材料有限公司 高密度聚晶超硬材料及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101228095A (zh) * 2005-07-21 2008-07-23 住友电气工业株式会社 高硬度多晶金刚石及其制备方法
CN103331129A (zh) * 2013-08-07 2013-10-02 四川大学 利用铰链式六面顶压机制备高性能聚晶金刚石的方法
CN105401034A (zh) * 2015-12-12 2016-03-16 河南广度超硬材料有限公司 高密度聚晶超硬材料及其制备方法

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108187586A (zh) * 2017-12-05 2018-06-22 广东钜鑫新材料科技股份有限公司 一种聚晶金刚石的加工方法
CN108187587A (zh) * 2017-12-22 2018-06-22 郑州中南杰特超硬材料有限公司 纯相大尺度多晶金刚石及其合成方法与应用
CN108187587B (zh) * 2017-12-22 2021-02-02 郑州中南杰特超硬材料有限公司 纯相大尺度多晶金刚石及其合成方法与应用
CN109519489A (zh) * 2018-12-23 2019-03-26 王泰峰 一种耐磨制动盘及其制造方法
CN111592356A (zh) * 2020-06-09 2020-08-28 欧阳晓平 一种多晶SiC—B4C—金刚石三层复合材料及其制备方法
CN111592356B (zh) * 2020-06-09 2021-12-31 欧阳晓平 一种多晶SiC—B4C—金刚石三层复合材料及其制备方法
CN114763307A (zh) * 2021-01-15 2022-07-19 燕山大学 层状碳晶界相增韧的金刚石复相材料及其制备方法
CN114573349A (zh) * 2022-04-07 2022-06-03 南方科技大学 一种聚晶金刚石及其制备方法和用途
CN115228373A (zh) * 2022-05-09 2022-10-25 蒋孟瑶 一种多晶金刚石及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103803985B (zh) 纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶的制备方法
CN106757333A (zh) 一种类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法
KR101663316B1 (ko) 그레이드된 드릴링 커터
KR102186023B1 (ko) 특유의 형태를 갖는 연마제 입자
EP0308440B1 (en) Diamond compacts
CN105833796A (zh) 一种透明立方氮化硼—金刚石聚晶的制备方法
CN103331129B (zh) 利用铰链式六面顶压机制备高性能聚晶金刚石的方法
JP2005514300A (ja) 低酸素立方晶窒化ホウ素及びその産物
KR101821220B1 (ko) 질화티탄-티타늄 2붕화물-입방정계 질화붕소 복합재료의 제조방법
MX2010003296A (es) Procesamiento abrasivo de materiales duros y/o fragiles.
JP2004505786A (ja) ダイヤモンド含有研磨用製品の製法
CN106006644A (zh) 一种制备纳米碳化硼粉末的方法
CN105401034B (zh) 高密度聚晶超硬材料及其制备方法
KR20050072753A (ko) 소결 지지된 다결정성 다이아몬드 압분체의 제조방법
Zhang et al. Improvement of thermal stability of diamond by adding Ti powder during sintering of diamond/borosilicate glass composites
WO2014015751A1 (zh) 高切削力金刚石微粉及其制备方法
CN110342943A (zh) 工业压力下合成无粘结剂聚晶氮化硼块材的方法及其应用
US20070009374A1 (en) Heat-resistant composite diamond sintered product and method for production thereof
Jackson et al. Abrasive tools and bonding systems
CN113059161B (zh) 一种聚晶金刚石复合片及其制备方法
Li et al. Using the thermochemical corrosion method to prepare porous diamonds
CN101899713B (zh) 一种梯度型纳米微结构多晶超硬材料及其合成方法
Song et al. Effect of hot pressing temperature on microstructure, mechanical properties and grinding performance of vitrified-metal bond diamond wheels
US20150013234A1 (en) Use of surface modified diamond to manufacture polycrystalline diamond
JP2001198833A (ja) ダイヤモンド研磨用砥石及びダイヤモンド研磨方法並びに研磨により得られたダイヤモンド研磨加工体、単結晶ダイヤモンド及びダイヤモンド焼結体並びにダイヤモンド研磨用複合砥石及び同砥石セグメント

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170531