本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種納米鉆石烯聚晶及其制備方法。

背景技術(shù)：

金剛石具有硬度高、耐磨耐腐蝕性高和熱膨脹系數(shù)低等特點，因此在機械加工、采礦、化工、電子等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。工業(yè)用金剛石以人造金剛石為主，大尺寸的人造金剛石單晶生成工藝復(fù)雜、成本高，而無助劑燒結(jié)多晶金剛石都未能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，所以目前在地質(zhì)鉆頭、木地板鋸片、機加工刀頭等需要使用較大尺寸金剛石制品的地方，還是以粘接劑燒結(jié)型聚晶金剛石（pcd）為主。粘接劑主要分為兩種類型：一種是以co、ni為代表的金屬觸媒，它們是催化金剛石微粉顆粒之間形成d-d結(jié)合鍵，這種方法制備的聚晶硬度高，但金屬觸媒的存在使其容易石墨化，高溫穩(wěn)定性差；另一種是以w、ti、si為代表的碳化物形成元素，他們會在金剛石表面形成d-m-d結(jié)合鍵，d-m鍵能小于d-d鍵能，所以其硬度要稍低，但其熱穩(wěn)定性好，在高溫狀態(tài)下，其性能要優(yōu)于前者。不管是哪一種粘接劑，它的存在都是弱相，粘接劑越多聚晶金剛石的硬度和耐磨性越低，但含量太少又不足以使全部的金剛石顆粒牢固的鏈接到一起。

目前，燒結(jié)金剛石聚晶所用的金剛石顆粒大多在微米級別，粒度相對較大，刀口平整度差，很難滿足一些高端領(lǐng)域需要進行超精細(xì)加工的要求。納米鉆石烯是一種新型碳納米材料，既具有超硬材料硬度高、耐磨性好的特性，又具有納米材料粒度細(xì)、比表面積大的特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種納米鉆石烯聚晶，同時提供其制備方法是本發(fā)明的又一發(fā)明目的。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種納米鉆石烯聚晶，由以下重量份的原料制得：納米鉆石烯90～97份、結(jié)合劑3～10份；所述結(jié)合劑為鈦、鎢硅或鈷中的一種或兩種以上的混合；上述兩種原料重量份之和為100。

所述納米鉆石烯在使用前經(jīng)以下預(yù)處理：

a）超聲波堿洗：將粒度配比為50nm：100nm：250nm=(1～2)：(2～3)：(4～5)的納米鉆石烯放入裝有堿液的超聲波清洗機中，超聲波頻率為30khz，堿液為濃度為8%～12%的naoh溶液，堿液溫度為50℃～60℃，攪拌速度為25～30rpm，清洗時間為25～30min；

b）超聲波清洗：超聲波頻率為30khz，清洗液為去離子水，攪拌速度為25～30rpm，攪拌時間為20～30min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

c）超聲波酸洗：酸洗液為硫酸、硝酸和鹽酸中的一種或兩種以上的混合，酸洗溫度為50～60℃，攪拌速度為15～20rpm，攪拌時間為20～30min；

d）超聲波水洗：超聲波水洗為常溫清洗，超聲波頻率為30～40khz，水洗液為去離子水。將原料入去離子水中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為20～25rpm，攪拌時間為8～10min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

e)烘干：沉淀完畢后倒掉上層清液，然后把原料放入真空爐內(nèi)進行烘干處理：以3℃/min的速率逐步升溫至100～120℃，保溫3h后隨爐溫冷卻后，密封儲存待用。

所述結(jié)合劑的粒度為20～50nm。

所述的納米鉆石烯聚晶的制備方法，包括以下步驟：

1）先將納米鉆石烯邊攪拌邊加入到無水乙醇中超聲分散，再加入結(jié)合劑繼續(xù)超聲分散；

2)將混合液加入到球磨機內(nèi)，在保護氣體或真空條件下球磨3～5h，物料和硬質(zhì)合金磨球的比例為1:3，球磨后真空烘干；

3）壓制燒結(jié)

將烘干后的粉體預(yù)壓成型，在真空條件下，以10℃/min的速度升溫到600～700℃，保溫1～2h，然后隨爐溫冷卻；再在5.5～6.5gpa的壓力、1300～1500℃的條件下燒結(jié)5～15min，冷卻到室溫后卸壓。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

1）由于制備本復(fù)合材料所用的鉆石烯是納米級別的，所以由其制備的刀具具有切削力小、加工精度高的特點；

2）與普通金剛石聚晶相比，由本方法制備的聚晶粘接劑用量低，密實性好，材料的硬度和耐磨性都得到了提高；

3）納米鉆石烯經(jīng)過處理后，純凈度提高，減少燒結(jié)缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量；

4）本制備方法工藝簡單，可在現(xiàn)有普通國產(chǎn)六面頂壓機上實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

附圖說明

圖1：磨耗比與粘接劑含量的變化關(guān)系；

圖2磨耗比與燒結(jié)溫度的變化關(guān)系；

圖3磨耗比與燒結(jié)壓力的變化關(guān)系；

圖4磨耗比與燒結(jié)時間的關(guān)系。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步描述。

實施例1

一種納米鉆石烯聚晶，由以下重量份的原料制得：納米鉆石烯97份、結(jié)合劑3份；所述結(jié)合劑為鈦。

所述納米鉆石烯在使用前經(jīng)以下預(yù)處理：

a）超聲波堿洗：將粒度配比為50nm：100nm：250nm=1：2：4的納米鉆石烯放入裝有堿液的超聲波清洗機中，超聲波頻率為30khz，堿液為濃度為8%的naoh溶液，堿液溫度為50℃℃，攪拌速度為25rpm，清洗時間為25min；

b）超聲波清洗：超聲波頻率為30khz，清洗液為去離子水，攪拌速度為25rpm，攪拌時間為20min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

c）超聲波酸洗：酸洗液為硫酸、硝酸和鹽酸中的一種或兩種以上的混合，酸洗溫度為50℃，攪拌速度為15rpm，攪拌時間為20min；

d）超聲波水洗：超聲波水洗為常溫清洗，超聲波頻率為30khz，水洗液為去離子水。將原料入去離子水中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為20rpm，攪拌時間為8min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

e)烘干：沉淀完畢后倒掉上層清液，然后把原料放入真空爐內(nèi)進行烘干處理：以3℃/min的速率逐步升溫至100℃，保溫3h后隨爐溫冷卻后，密封儲存待用。

所述結(jié)合劑的粒度為20nm。

所述的納米鉆石烯聚晶的制備方法，包括以下步驟：

1）先將納米鉆石烯邊攪拌邊加入到無水乙醇中超聲分散30min，再加入結(jié)合劑繼續(xù)超聲分散30～60min；

2)將混合液加入到球磨機內(nèi)，在保護氣體或真空條件下球磨3h，物料和硬質(zhì)合金磨球的比例為1:3，球磨后在真空條件下烘干；

3）壓制燒結(jié)

將烘干后的粉體預(yù)壓成型，放到真空爐內(nèi)，在真空條件下，以10℃/min的速度升溫到700℃，保溫1h，然后隨爐溫冷卻；然后組裝到合成塊內(nèi)，用六面頂壓機再在5.5gpa的壓力、1500℃的條件下燒結(jié)5min，冷卻到室溫后卸壓。

實施例2

一種納米鉆石烯聚晶，由以下重量份的原料制得：納米鉆石烯90份、結(jié)合劑10份；所述結(jié)合劑為鎢硅。

所述納米鉆石烯在使用前經(jīng)以下預(yù)處理：

a）超聲波堿洗：將粒度配比為50nm：100nm：250nm=2：3：5的原料放入裝有堿液的超聲波清洗機中，超聲波頻率為30khz，堿液為濃度為12%的naoh溶液，堿液溫度為60℃，攪拌速度為30rpm，清洗時間為30min；

b）超聲波清洗：超聲波頻率為30khz，清洗液為去離子水，攪拌速度為30rpm，攪拌時間為30min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

c）超聲波酸洗：酸洗液為硫酸、硝酸和鹽酸中的一種或兩種以上的混合，酸洗溫度為60℃，攪拌速度為20rpm，攪拌時間為30min；

d）超聲波水洗：超聲波水洗為常溫清洗，超聲波頻率為40khz，水洗液為去離子水。將原料入去離子水中并旋轉(zhuǎn)攪拌，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為25rpm，攪拌時間為10min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

e)烘干：沉淀完畢后倒掉上層清液，然后把原料放入真空爐內(nèi)進行烘干處理：以3℃/min的速率逐步升溫至120℃，保溫3h后隨爐溫冷卻后，密封儲存待用。

所述結(jié)合劑的粒度為50nm。

所述的納米鉆石烯聚晶的制備方法，包括以下步驟：

1）先將納米鉆石烯邊攪拌邊加入到無水乙醇中超聲分散30min，再加入結(jié)合劑繼續(xù)超聲分散30～60min；

2)將混合液加入到球磨機內(nèi)，在保護氣體或真空條件下球磨5h，物料和硬質(zhì)合金磨球的比例為1:3，球磨后在真空條件下烘干；

3）壓制燒結(jié)

將烘干后的粉體預(yù)壓成型，放到真空爐內(nèi)，在真空條件下，以10℃/min的速度升溫到600℃，保溫2h，然后隨爐溫冷卻；然后組裝到合成塊內(nèi)，用六面頂壓機再在6.5gpa的壓力、1300℃的條件下燒結(jié)15min，冷卻到室溫后卸壓。

實施例3

一種納米鉆石烯聚晶，由以下重量份的原料制得：納米鉆石烯94份、結(jié)合劑6份；所述結(jié)合劑為鈦、鎢硅和鈷的混合。所述結(jié)合劑的粒度為20～30nm。

所述納米鉆石烯在使用前經(jīng)預(yù)處理：同實施例1。

所述的納米鉆石烯聚晶的制備方法，同實施例1，不同的是，步驟3）中燒結(jié)溫度為1400℃，燒結(jié)壓力為5.5，燒結(jié)時間為9min。

性能檢測

1、結(jié)合劑用量試驗

磨耗比是檢測超硬材料性能最常用的指標(biāo)，磨耗比越大，則耐磨性越好，其制品在切削、鉆進和砂輪修整中的使用壽命越長。試驗在相同的燒結(jié)工藝條件下進行，以co為粘接劑，含量從2～12%變化。根據(jù)jb/t3235-1999的標(biāo)準(zhǔn)，在js71-a型磨耗比測試儀上對不同粘接劑含量的納米鉆石烯聚晶進行磨耗比檢測，結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，材料的磨耗比也即耐磨性隨粘接劑含量的增加先急劇升高后緩慢降低，在6%左右時最大。這主要是因為當(dāng)粘結(jié)劑含量太少時不足以填滿納米鉆石烯留下的縫隙，造成有些接觸面得不到包裹和反應(yīng)，從而影響結(jié)合強度，所以材料耐磨性不好；粘接劑是弱相，含量過多，則會使整體的硬度降低，所以材料的耐磨性會降低。本發(fā)明的粘接劑最佳用量在6%左右，較普通pcd10%左右的用量有了很大的降低，這主要有兩方面的原因：第一，本發(fā)明通過合理的粒度配比，增加了顆粒料的堆積密度，盡量減少了空隙量；第二，本發(fā)明通過超聲分散加球磨的方式使物料混合的更加均勻，避免因混料不均勻造成部分地方粘接劑過量、部分無粘接劑而影響材料性能。

2、燒結(jié)工藝試驗

燒結(jié)工藝對材料的性能影響很大，其中燒結(jié)壓力、燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間是影響最大的，以co為粘接劑，在配方相同的情況下，通過控制單一變量，分別檢測不同燒結(jié)壓力、溫度和時間對材料磨耗比的影響，結(jié)果分別如圖2、3、4所示。

從圖2中可以看出，在其它條件不變的情況下，磨耗比隨燒結(jié)溫度的變化先增高后降低，這是因為溫度太低時未達到共熔，反應(yīng)很難進行，當(dāng)溫度太高時，納米鉆石烯會被石墨化。從圖3中可以看出，在其它條件不變的情況下，磨耗比隨燒結(jié)溫度的變化也呈現(xiàn)先增高后降低的變化趨勢，這是因為壓力低，碳處于石墨穩(wěn)定區(qū)，納米鉆石烯會被石墨化，壓力過高則無法共熔，反應(yīng)很難進行。在燒結(jié)時壓力和溫度是相互匹配的，需要達到碳與金屬粘接劑共熔，且要處于納米鉆石烯穩(wěn)定區(qū)。

從圖4中可以看出，在其它條件不變的情況下，磨耗比隨燒結(jié)時間的變化先增高后降低，這是因為時間太短的話，反應(yīng)未能充分進行，顆粒間結(jié)合力低，隨著反應(yīng)的進行，金屬會慢慢浸潤滿納米鉆石烯表面，反應(yīng)進行的很充分，如燒結(jié)時間再延長，金屬結(jié)合劑會向顆粒內(nèi)部滲透，使得身為弱相的結(jié)合界面變寬，嚴(yán)重影響材料的質(zhì)量。

3、對比試驗

硬度、磨耗比、高溫穩(wěn)定性和光潔度是檢測超硬材料最重要的幾個指標(biāo)，通過這幾個指標(biāo)來對比本發(fā)明的聚晶超硬復(fù)合材料與普通聚晶金剛石復(fù)合材料之間的性能差異，其中，結(jié)合劑的用量為6%，具體結(jié)果如下表1所示。

表1對比試驗結(jié)果

從表中可以看出，本發(fā)明的納米鉆石烯聚晶的硬度、耐磨性和加工的精度要優(yōu)于金剛石聚晶，尤其是加工精度非常高，能夠滿足高端加工要求。