CN109663543A - 一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法，包括以下步骤：步骤A、石墨净化处理；步骤B、氮化硼/硼单质/C3N4净化处理；步骤C、合成柱制备；步骤D、真空处理；步骤E、高温高压合成；步骤F、样品提纯处理。本发明的有益效果是：本发明硼皮氮芯的多晶金刚石合成方法，在高温高压条件下无任何添加剂，利用石墨+氮化硼/硼单质/C3N4作为原材料直接转化而成，由于该含硼和氮的多晶金刚石不仅耐热性和耐磨性好,而且化学惰性、强度也好,即它与铁族材料的亲合力小,能用来加工高硬度的铁族材料和耐热合金。使多晶金刚石的使用范围得到了扩充，性能得到了提高,具有十分重要的理论意义和实际意义。

Description

一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石制备方法，具体为一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法，属于金刚石制备方法应用技术领域。
背景技术
目前，在静态超高压技术领域，金刚石的合成大都采用石墨+触媒的方法，即使是含硼金刚石也是多采用含硼触媒+高纯石墨、含硼石墨+触媒工艺方法，这些工艺合成出来的含硼金刚石是单晶产品，然后将含硼金刚石微粉+粘结剂 (烧结助剂)在高温高压下合成出多晶金刚石，形成的结构为含硼金刚石微粉+粘结剂(烧结助剂)+含硼金刚石微粉(D+M+D)，尽管含硼金刚石单晶具有耐高温的特殊性能，比普通金刚石单晶的耐热性约高200-300℃，形成的多晶金刚石(D+M+D)也比普通金刚石耐热性要好，但是添加粘结剂(烧结助剂)合成出的多晶金刚石在性能上都存在很大的差异，尤其在硬度和强度之类的机械特性方面以及耐热性和耐磨性等存在较大的影响。
而采用纯石墨直接转化合成多晶金刚石，最高耐热性也就是970℃左右，并且不能用于黑色金属加工，因为它与铁族材料的亲合力大，用它做成的车刀，加工铁族材料时，容易产生粘刀和形成切削瘤的现象，使切削难于进行，因此，针对上述问题提出一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法，简化合成工艺、降低成本、便于工业化连续作业，又能保证合成出耐热性高、化学惰性强、强度高的多晶金刚石的新方法，在金刚石表面裹上一层硼元素而里面又含有氮原子的多晶金刚石。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法，包括以下步骤：
步骤A、石墨净化处理：将取出1-150μm高纯石墨通过高温1600℃、真空10*-5Pa、时间10-15h条件处理，样品处理后真空封装；
步骤B、氮化硼/硼单质/C3N4净化处理：将取出1-50μm氮化硼/硼单质 /C3N4通过高温1600℃、真空10*-5Pa、时间15-20h条件处理，样品处理后真空封装；
步骤C、合成柱制备：将高纯石墨微粉与氮化硼/硼单质/C3N4按质量比为 C：氮化硼/硼单质/C3N4＝10～12：1～3的比例分别取料，均匀混合后压制成圆柱；进行预压处理，然后用模具将其制备成圆柱体合成柱；
步骤D、真空处理：将合成用圆柱体放入高温真空中，加热500-1000℃，时间为1-5h，真空度为10*-5Pa，降温氩气/氮气保护；
步骤E、高温高压合成：在六面顶压机上通过高温1800-2500℃、高压 8-20GPa、时间为1-5h合成出含硼大尺度多晶金刚石；
步骤F、样品提纯处理：将合成出的样品用浓硫酸加热反应2-4h，去除表面粘有的加热管及传压介质杂质。
优选的，所述步骤A中的高纯石墨纯度≥99.9％。
优选的，所述步骤B中的氮化硼/硼单质/C3N4的纯度≥99.5％。
优选的，所述步骤C中的高纯石墨微粉为步骤A中的高纯石墨制得。
本发明的有益效果是：本发明硼皮氮芯的多晶金刚石合成方法，在高温高压条件下无任何添加剂，利用石墨+氮化硼/硼单质/C3N4作为原材料直接转化而成，由于该含硼和氮的多晶金刚石不仅耐热性和耐磨性好,而且化学惰性、强度也好,即它与铁族材料的亲合力小,能用来加工高硬度的铁族材料和耐热合金。使多晶金刚石的使用范围得到了扩充，性能得到了提高,具有十分重要的理论意义和实际意义。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法，包括以下步骤：
步骤A、石墨净化处理：将取出1-150μm高纯石墨通过高温1600℃、真空10*-5Pa、时间10-15h条件处理，样品处理后真空封装；
步骤B、氮化硼/硼单质/C3N4净化处理：将取出1-50μm氮化硼/硼单质 /C3N4通过高温1600℃、真空10*-5Pa、时间15-20h条件处理，样品处理后真空封装；
步骤C、合成柱制备：将高纯石墨微粉与氮化硼/硼单质/C3N4按质量比为 C：氮化硼/硼单质/C3N4＝10～12：1～3的比例分别取料，均匀混合后压制成圆柱；进行预压处理，然后用模具将其制备成圆柱体合成柱；
步骤D、真空处理：将合成用圆柱体放入高温真空中，加热500-1000℃，时间为1-5h，真空度为10*-5Pa，降温氩气/氮气保护；
步骤E、高温高压合成：在六面顶压机上通过高温1800-2500℃、高压 8-20GPa、时间为1-5h合成出含硼大尺度多晶金刚石；
步骤F、样品提纯处理：将合成出的样品用浓硫酸加热反应2-4h，去除表面粘有的加热管及传压介质杂质。
实施例1
将各取(1-10μm)石墨微粉+(1-5μm)氮化硼+(1-5μm)硼单质100g，在高温1000℃/10*-3Pa真空炉加热15h，降温氩气保护，将取出的粉末按照质量比10：1：1进行预压处理，将合成用圆柱体放入高温真空中，加热700℃，时间为3h，真空度为10*-5Pa，降温氩气/氮气保护。然后用模具将其制备成圆柱体合成柱；在六面顶压机上合成高温2300℃，压力为15GPa，合成时间为3h。经过表面酸处理得到含硼和氮的多晶金刚石。
实施例2
将各取(5-10μm)石墨微粉+(2-4μm)氮化硼+(2-4μm)C3N4100g，在高温1000℃/10*-3Pa真空炉加热15h，降温氩气保护，将取出的粉末按照质量比8：1：1进行预压处理，将合成用圆柱体放入高温真空中，加热1000℃，时间为2h，真空度为10*-5Pa，降温氩气保护。然后用模具将其制备成圆柱体合成柱；在六面顶压机上合成高温2200℃，压力为13GPa，合成时间为5h。经过表面酸处理得到含硼和氮多晶金刚石。
实施例3
将各取(3-5μm)石墨微粉+(0.5-1μm)硼+(0.5-1μm)C3N4100g，在高温900℃/10*- 3Pa真空炉加热15h，降温氩气/氮气保护，将取出的粉末按照质量比12：1：1进行预压处理，将合成用圆柱体放入高温真空中，加热800℃，时间为1h，真空度为10*-5Pa，降温氩气保护。然后用模具将其制备成圆柱体合成柱；在六面顶压机上合成高温2100℃，压力为12GPa，合成时间为4h。经过表面酸处理得到含硼和氮多晶金刚石。
实施例4
将各取(2-4μm)石墨微粉+(1-2μm)硼+(1-2μm)C3N4+(1-2μm) 氮化硼100g，在高温1000℃/10*-3Pa真空炉加热3.5h，降温氩气/氮气保护，将取出的粉末按照质量比9：1：1：1进行预压处理，将合成用圆柱体放入高温真空中，加热750℃，时间为2h，真空度为10*-5Pa，降温氩气保护。然后用模具将其制备成圆柱体合成柱；在六面顶压机上合成高温2500℃，压力为 16GPa，合成时间为4.5h。经过表面酸处理得到含硼和氮多晶金刚石。
本发明通过对实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制备的金刚石比传统方式制备的金刚石耐热性高、化学惰性强、强度高。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A、石墨净化处理：将取出1-150μm高纯石墨通过高温1600℃、真空10*-5Pa、时间10-15h条件处理，样品处理后真空封装；
步骤B、氮化硼/硼单质/C3N4净化处理：将取出1-50μm氮化硼/硼单质/C3N4通过高温1600℃、真空10*-5Pa、时间15-20h条件处理，样品处理后真空封装；
步骤C、合成柱制备：将高纯石墨微粉与氮化硼/硼单质/C3N4按质量比为C：氮化硼/硼单质/C3N4＝10～12：1～3的比例分别取料，均匀混合后压制成圆柱；进行预压处理，然后用模具将其制备成圆柱体合成柱；
步骤D、真空处理：将合成用圆柱体放入高温真空中，加热500-1000℃，时间为1-5h，真空度为10*-5Pa，降温氩气/氮气保护；
步骤E、高温高压合成：在六面顶压机上通过高温1800-2500℃、高压8-20GPa、时间为1-5h合成出含硼大尺度多晶金刚石；
步骤F、样品提纯处理：将合成出的样品用浓硫酸加热反应2-4h，去除表面粘有的加热管及传压介质杂质。
2.根据权利要求1所述的一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法，其特征在于：所述步骤A中的高纯石墨纯度≥99.9％。
3.根据权利要求1所述的一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法，其特征在于：所述步骤B中的氮化硼/硼单质/C3N4的纯度≥99.5％。
4.根据权利要求1所述的一种直接转化合成硼皮氮芯多晶金刚石制备方法，其特征在于：所述步骤C中的高纯石墨微粉为步骤A中的高纯石墨制得。
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