CN106830965B - 纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其制备步骤包括：将纳米碳材料与超硬材料微粉混合制得复合粉体，然后对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理，制得纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。该材料具有高抗冲击韧性、高热稳定性，可应用于超硬切削和磨削工具中。

Description

纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及超硬材料领域，具体的说，涉及了一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法及应用。

背景技术

聚晶材料中的立方氮化硼、金刚石等材料因其耐热性能好、化学惰性强且具有较高的硬度、较好的导热率，被广泛用于刀具行业。随着材料科学的进步，对刀具材料的硬度、耐磨性、韧性和强度的要求提出了更高的要求，理想的刀具材料应既具有极高的硬度、耐磨性，有利于提高切削效率，有利于延长刀具耐用度，同时又要具有好的抗冲击韧性，使得其能够承受大的切削力。同时，在利用聚晶材料和硬质合金基体在高温高压烧结制备产品时，聚晶材料经历了聚晶材料破碎和再结晶长大、钴等在聚晶材料层中的扩散熔渗迁移等过程，处于聚晶材料间隙处的粘接剂的脆性和热胀冷缩及其氧化是聚晶材料制品冲击破坏的源头和热稳定性下降的主要因素。

而纳米碳材料中的多壁碳纳米管通常直径在0.3 nm到几十纳米之间，长度可达几十微米，是两端封闭的富勒烯管，具有非常优异的力学性能和物理特性：弹性应变可达12%，弹性模量超过1.8×10⁶ MPa，弯曲强度为1.42×10⁷ MPa，长度超过10 nm时导热系数依然可以达到2800 w/m·K，同时多壁碳纳米管在高温高压下很难转变成金刚石，其管状结构在压力5 GPa～6 GPa、温度1450℃仍然能够保留下来。因此中国专利CN102268619B公开了一种多壁碳纳米管增强金刚石复合片材料的制备方法，该方法采用半湿混使多壁碳纳米管与金刚石微粉以及粘接剂等弥散地均匀地混合在一起成为聚晶金刚石层的原材料，将它与硬质合金基体通过高温高压烧结工艺和适当的热处理工艺制造成为多壁碳纳米管增强的PDC，制得的产品相对于未增强处理的聚晶材料制品在抗冲击韧性和耐磨性上有所提高，但上述方法依然采用含有金属或金属氧化物的粘结剂进行合成，产品依然存在因热稳定性问题出现的微裂纹或脱层现象，同时该方法对合成工艺要求较为严格，限制了大批量生产。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其制备步骤包括：将纳米碳材料与超硬材料微粉混合制得复合粉体，然后对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理，制得纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。

基于上述，所述超硬材料微粉为纳米金刚石或纳米立方氮化硼，且粒度为8 nm～60 nm。

基于上述，对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理的步骤包括：将所述复合粉体置于石墨模具中，以80℃/min～100℃/min的升温速率在1150℃～1350℃的烧结温度和30MPa～100MPa的烧结压力下进行放电等离子烧结5 min～30 min，自然冷却从而制得所述纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。

基于上述，制得所述复合粉体的步骤包括：在超声波的作用下，先将所述纳米碳材料分散到分散溶液中，得到前躯体溶液；然后在超声波和机械搅拌的共同作用下，再将所述超硬材料微粉分散在所述前躯体溶液中制得纳米粉体混合液；最后将所述纳米粉体混合液干燥处理制得所述复合粉体；其中，所述分散溶液为无水乙醇或去离子水。

基于上述，当所述纳米碳材料为多壁碳纳米管时，制得所述复合粉体的步骤还包括：对所述纳米粉体混合液先进行球磨混合8 h～10 h，再进行真空干燥处理，从而得到所述复合粉体，其中在所述复合粉体中所述多壁碳纳米管的质量分数大于0%小于等于5%。

基于上述，当所述纳米碳材料为石墨烯时，在制得所述复合粉体的步骤中，控制所述复合粉体中所述石墨烯的质量分数大于5%小于等于15%；且在对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理时，烧结处理的烧结温度为1200℃～1350℃。

基于上述，所述石墨烯的层数为1层～10层、厚度为0.55 nm～3.74 nm。

基于上述，当所述纳米碳材料为多壁碳纳米管时，对所述复合粉体进行放电等离子体烧结的烧结温度为1150℃～1300℃。

基于上述，所述多壁碳纳米管直径为10 nm～60 nm、长度为5 微米～100 微米。

本发明还提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，它作为增强体与基体材料复合，应用于超硬切削和磨削工具中；所述基体材料为硬质合金或金属材料。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明利用具有高韧性、高稳定性的纳米碳材料为烧结粉体，利用纳米粉体独特的表面效应实现颗粒间的致密烧结；同时放电等离子烧结时，由于纳米碳材料本身具有的导电性加速了脉冲电流在纳米粉体间的传导，由脉冲电流通电、断电产生的等离子体能够击穿孔隙内残留气体局部放电，从而激活纳米粉体表面，使其相互之间发生反应，经过一定的保温时间形成具有化学结合的烧结界面。另一方面，在烧结体中纳米碳材料分布于超硬材料间隙处，能够在空间内呈现立体网状分布的、作为具有高导热率的增韧相，使得裂纹在扩展时发生择向或偏转，降低了裂纹扩展能，从而提高了该超硬材料的韧性、抗压强度和耐磨性能。该制备方法生产工艺简单、原料易得。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，原料中所述超硬材料微粉为粒度8 nm～20 nm的立方氮化硼纳米粉体；所述纳米碳材料为具有1层～10层结构的石墨烯，且所述1层～10层结构的石墨烯平均厚度为3.74 nm。该方法具体包括以下步骤：

复合粉体的制备：在超声波的作用，先将石墨烯分散在去离子水中制得前躯体溶液，然后在超声波和机械搅拌的共同作用下，向所述前躯体溶液中加入粒度为8 nm～20 nm的立方氮化硼纳米粉体进行分散处理从而制得石墨烯/纳米立方氮化硼混合溶液；对所述石墨烯/纳米立方氮化硼混合溶液冷冻干燥24h处理得到混合干燥的复合粉体，其中控制所述石墨烯的质量为所述复合粉体质量的5%。

复合粉体的放电等离子体烧结：将所述石墨烯/纳米立方氮化硼复合粉体装入石墨模具中，以100℃/min的升温速率，在1350℃烧结温度和50MPa的烧结压力下进行放电等离子烧结10min，自然冷却从而制得石墨烯增强纳米立方氮化硼复合材料，制得的复合材料标记为1＃。

本实施例还提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，它作为增强体与硬质合金复合，应用于制备超硬切削工具。

实施例2

本实施例提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，原料中所述超硬材料微粉为粒度10 nm～30 nm的立方氮化硼纳米粉体；所述纳米碳材料为具有1层～10层结构的石墨烯，且所述1层～10层结构的石墨烯平均厚度为3.5 nm。该方法具体制备步骤与实施例1中的大致相同，不同之处在于：所述复合粉体的制备步骤中，控制所述石墨烯的质量为所述复合粉体质量的10%，制得的复合材料标记为2＃。

本实施例还提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，它作为增强体与硬质合金复合，应用于制备超硬磨削工具。

实施例3

本实施例提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，原料中所述纳米碳材料为具有1层～10层结构的石墨烯，且所述1层～10层结构的石墨烯平均厚度为3.55 nm、所述超硬材料微粉为粒度30 nm～60 nm的纳米金刚石粉体。具体制备步骤与实施例1中的大致相同，不同之处在于：所述复合粉体的制备步骤中，控制所述石墨烯的质量为所述复合粉体质量的5%，制得的复合材料标记为3＃。

本实施例还提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，它作为增强体与硬质合金复合，应用于制备超硬磨削工具。

实施例4

本实施例提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，原料中所述纳米碳材料为直径10 nm～20 nm、长度5 微米～20 微米的多壁碳纳米管、所述超硬材料微粉为粒度20 nm～50 nm立方氮化硼纳米粉体，具体制备步骤包括：

复合粉体的制备：在超声波的作用，先将多壁碳纳米管分散在无水乙醇中，然后在超声波和机械搅拌的共同作用下，向所述前躯体溶液中加入粒度为20 nm～50 nm立方氮化硼纳米粉体进行超声分散2h，从而制得多壁碳纳米管/纳米立方氮化硼混合溶液。采用全方位行星球磨机对所述多壁碳纳米管/纳米立方氮化硼混合溶液进行球磨混合12h后置于60℃温度下真空干燥12h，得到混合干燥好的复合粉体。其中控制所述多壁碳纳米管的质量为所述复合粉体质量的1%；球磨机转速800 r/min、球料质量比5∶1。

复合粉体的放电等离子体烧结：将所述多壁碳纳米管/纳米立方氮化硼复合粉体装入石墨模具中，以100℃/min的升温速率，在1200℃烧结温度和50MPa的烧结压力下进行放电等离子烧结20min，自然冷却从而制得多壁碳纳米管/纳米立方氮化硼复合材料，制得的复合材料标记为4＃。

本实施例还提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，它作为增强体与硬质合金复合，应用于制备超硬磨削工具。

实施例5

本实施例提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，原料中所述纳米碳材料为直径10 nm～20 nm、长度20 微米～100 微米的多壁碳纳米管、所述超硬材料微粉为粒度30 nm～50 nm立方氮化硼纳米粉体。该方法具体制备步骤与实施例4中的大致相同，不同之处在于：所述复合粉体的制备步骤中，控制所述多壁碳纳米管的质量为所述复合粉体质量的5%，制得的复合材料标记为5＃。

本实施例还提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，它作为增强体与硬质合金复合，应用于制备超硬磨削工具。

实施例6

本实施例提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，原料中所述纳米碳材料为直径50 nm～60 nm、长度10 微米～20 微米的多壁碳纳米管、所述超硬材料微粉为粒度30 nm～50 nm金刚石粉体。该方法具体制备步骤与实施例4中的大致相同，不同之处在于：所述复合粉体的制备步骤中，控制所述多壁碳纳米管质量为所述复合粉体质量的5%，制得的复合材料标记为6＃。

本实施例还提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，它作为增强体与硬质合金复合，应用于制备超硬磨削工具。

实施例7

本实施例提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，原料中所述纳米碳材料为直径50 nm～60 nm、长度10 微米～20 微米的多壁碳纳米管、所述超硬材料微粉为粒度30 nm～50 nm金刚石粉体。具体制备步骤与实施例4中的大致相同，不同之处在于：所述复合粉体的制备步骤中，控制所述多壁碳纳米管质量为所述复合粉体质量的5%，制得的复合材料标记为7＃。

本实施例还提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，它作为增强体与工具钢复合，应用于制备超硬磨削工具。

对照试验组1

本对照试验组供一种石墨烯材料增强纳米立方氮化硼复合材料的方法，原料中所述纳米立方氮化硼的粒度为8 nm～20 nm，所述石墨烯具有1层～10层结构且所述1层～10层结构的所述石墨烯平均厚度为3.5 nm。该方法具体制备步骤包括：

复合粉体的制备：将石墨烯和含钴的金属粘结剂超声分散在无水乙醇中进行超声处理0.5h，然后向其中加入粒度为8 nm～20 nm的所述纳米立方氮化硼，并在机械搅拌条件下进行超声分散2h，从而制得石墨烯/纳米立方氮化硼混合液，对所述混合液冷冻干燥24h处理得到混合干燥的复合粉体。其中，所述复合粉体中所述石墨烯的质量分数为5%、所述含钴的金属粘结剂的质量分数为20%。

复合粉体的烧结：将上述混合均匀的所述复合粉体放置于叶腊石块模具中，在模具外加装上叶腊石环、导电钢圈和触媒片，在六面顶压机中进行超高压高温合成实验；烧结合成工艺参数为：烧结温度1600℃、烧结压力6 GPa、保温保压时间为5 min，制得的复合材料标记为8＃。

对照试验组2

本对照试验组供一种多壁碳纳米管材料增强纳米金刚石复合材料的方法，其复合材料中，多壁碳纳米管的直径为50 nm～60 nm、长度为10 微米～20 微米且在所述复合材料中，所述多壁碳纳米管的质量分数为5％、含钴的金属粘结剂的质量分数为20％、余量为粒度20 nm～30 nm的金刚石粉。具体制备步骤与对照实验组1中的步骤相同，制得的复合材料标记为9＃。

维氏硬度、冲击韧性测试

分别测试实施例1～7、对照实验组1和对照实验组2制得复合材料的维氏硬度和冲击韧性的冲击功数值，测试结果如表1所示。

表1实施例1～7及对照实验组1～2中复合材料的力学性能

序号	超硬材料	纳米碳材料及含量	韧性（J）	维氏硬度（Gpa）
					1＃	8nm立方氮化硼	5%石墨烯	136.2	62.3
2＃	20nm立方氮化硼	10%石墨烯	138.4	60.5
					3＃	60nm的金刚石	5%石墨烯	133.6	60.1
4＃	20nm立方氮化硼	1%多壁碳纳米管	120.4	58.7
					5＃	60nm立方氮化硼	5%多壁碳纳米管	128.8	59.2
6＃	20nm金刚石	5%多壁碳纳米管	125.4	58.9
					7＃	60nm金刚石	5%多壁碳纳米管	130.5	60.1
8＃	8nm立方氮化硼	5%石墨烯、20%金属粘结剂	110.1	34.6
					9＃	20nm金刚石	5%多壁碳纳米管、20%金属粘结剂	117.8	32.6

由表1可以看出：本发明实施例1～7通过放电等离子体烧结制备的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的韧性值和维氏硬度均高于常规方法制备的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的数值；且还可以看出超硬材料微粉的粒度及纳米碳材料的添加量会影响该复合材料的力学性能，即超硬材料微粉颗粒度越小、纳米碳材料的含量越高，产品的维氏硬度和冲击韧性越高。

原因可能是因为超硬材料微粉颗粒度越小，颗粒的反应表面积就越大，在放电等离子烧结过程中，就更容易产生诱发转变和晶体外延生长，从而烧结出来的复合材料更加致密，其抗冲击能力和耐磨性也越好。同时，在放电等离子体烧结过程中，纳米粉体独特的表面效应及良好的导电性，利于脉冲电流在纳米粉体间的传导，由脉冲电流通断电产生的等离子体，通过粉体间隙的部分电流激活磨粒表面，击穿孔隙内残留气体局部放电，促进磨料颗粒表面活化并相互反应，经过一定的保温时间形成具有化学结合的烧结界面。同时，在烧结体中纳米碳材料分布于聚晶材料间隙中，能够在空间内呈现立体网状分布，使得裂纹在扩展时发生择向或偏转，降低了裂纹扩展能，从而提高了纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的韧性和力学强度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其制备步骤包括：在超声波的作用下，先将纳米碳材料分散到分散溶液中，得到前躯体溶液；然后在超声波和机械搅拌的共同作用下，再将超硬材料微粉分散在所述前躯体溶液中制得纳米粉体混合液；最后将所述纳米粉体混合液干燥处理制得复合粉体；其中，所述分散溶液为无水乙醇或去离子水；将所述复合粉体置于石墨模具中，以80℃/min～100℃/min的升温速率在1150℃～1350℃的烧结温度和30MPa～100MPa的烧结压力下进行放电等离子烧结5 min～30 min，自然冷却制得纳米碳材料增强超硬材料基复合材料；所述超硬材料微粉为纳米金刚石或纳米立方氮化硼，且粒度为8 nm～60 nm；所述纳米碳材料为多壁碳纳米管或石墨烯。

2.根据权利要求1所述的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其特征在于，当所述纳米碳材料为多壁碳纳米管时，制得所述复合粉体的步骤还包括：对所述纳米粉体混合液先进行球磨混合8 h～10 h，再进行真空干燥处理，从而得到所述复合粉体，其中在所述复合粉体中所述多壁碳纳米管的质量分数大于0%小于等于5%。

3.根据权利要求1所述的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其特征在于，当所述纳米碳材料为石墨烯时，在制得所述复合粉体的步骤中，控制所述复合粉体中所述石墨烯的质量分数大于5%小于等于15%；且在对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理时，烧结处理的烧结温度为1200℃～1350℃。

4.根据权利要求3所述的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯的层数为1层～10层、厚度为0.55 nm～3.74 nm。

5.根据权利要求2所述的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其特征在于，当所述纳米碳材料为多壁碳纳米管时，对所述复合粉体进行放电等离子体烧结的烧结温度为1150℃～1300℃。

6.根据权利要求5所述的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其特征在于，所述多壁碳纳米管直径为10 nm～60 nm、长度为5 微米～100 微米。

7.一种如权利要求1至6任一项所述的制备方法获得的纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的应用，其特征在于，它作为增强体与硬质合金复合，应用于超硬切削和磨削工具中。