[發明專利]一種梯度型納米微結構多晶超硬材料及其合成方法

有效

• 申請號: 200910143812.0
• 申請日: 2009-05-31
• 公開（公告）號: CN101899713A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發明（設計）人: 張傳林
• 申請（專利權）人: 北京清大微納科技有限公司
• 主分類號: C30B29/60
• 分類號: C30B29/60;C30B28/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

【技術領域】

本發明是關于一種梯度型納米微結構多晶超硬材料及其合成方法。

【背景技術】

隨著新材料技術和現代制造業的發展，尤其是汽車、航空航天、石油鉆探、電線電纜、木材以及光學器材等行業的發展，這些相關行業不僅采用的基礎材料在硬度、耐磨性、強度等性能方面都大幅度提高，同時對這些相關材料部件的加工精度也有更高要求。“工欲善其身，必先利其器”，現代制造業在大量選用高精密數控設備的同時，對現代工具材料和工具產品也提出了更高的要求。

眾所周知，金剛石是目前發現的硬度最高的材料，其導熱性、耐磨性、強度都很高，是制作高性能工具材料的首選。但是，單純的金剛石單晶材料，由于焊接困難、加工困難以及尺寸小等原因，使之大量用做磨料，制作砂輪、磨頭和拋光制劑等，在大尺寸工具材料領域少有作為。所以各國科學界和產業部門都非常重視，目標是要尋找到一種方法，能夠實現人工合成大尺寸、硬度高、耐磨性好、強度高、結構致密、韌性也好、可拋光光潔度高的超硬材料。

目前市場上應用的大尺寸金剛石復合材料，如PCD等，由于金剛石塊體燒結時加入了較多的粘接金屬和硬質合金顆粒(如美國專利No.3,745,623，UK.2,326,655等所公開的方法)，所以其晶體內部結構中就含有大量(6-20wt％)的金屬粘結相，所以其耐磨性、硬度、致密度、熱導率及摩擦系數等指標和應用性能均未能達到理想的高性能多晶金剛石要求，如典型的PCD，硬度只有50-60GPa。硬度、強度和韌性也需要進一步提高。

九十年代以來，化學氣相沉積法(CVD)生長金剛石技術取得了大的進展，目前已經可以在一定基體(如Si)上生長大面積(如Φ200mm)的金剛石厚膜(如厚度約1-2mm)和薄膜。金剛石膜的硬度和純度很高、耐磨性好、可拋光光潔度可達到很高，導熱性較好，在熱沉等方面有較好的應用，但由于CVD金剛石技術本身存在的許多還難以克服的技術矛盾，使CVD金剛石厚膜內部存在大量缺陷(如微裂紋、孔隙、非金剛石相等)和生長應力，結構不均勻，因而其強度很低、脆性大，再加上CVD厚膜質量不穩定且厚度也有限，故其在工具材料領域的應用受到很大的局限。

因此提供一種“硬(硬度達到80GPa以上)而韌”(比如球面沖擊次數達到10萬次以上)，結構可設計(如梯度型)，微觀組織致密(如具有納米微結構)，大尺寸多晶超硬材料及其合成方法實為必要。

合成多晶超硬材料的主要有兩種方法，一種是CVD法，一種就是高溫高壓(HTHP)法。

CVD法生長超硬材料，如多晶金剛石和多晶cBN等材料，純度高，硬度高，但是內部缺陷多，應力高，脆性大，性能不穩定，大規模工業化推廣有很多技術局限。

HTHP法生產多晶超硬材料，工藝相對穩定，可規?；I生產，產品原材料和工藝可以選擇的空間大，且HTHP實現方法多樣，有重要研究價值。在原材料，生長工藝，生長壓力溫度等熱力學條件等方面技術有所突破，完全可以合成出具有新相結構和優異性能的多晶超硬材料。

碳納米管自1991年被發現以來，其性能和制備工藝都得到了廣泛的研究，方興未艾。這也為新型多晶超硬材料合成提供了一種表面活性很高的納米碳材料。

【發明內容】

為了解決多晶超硬材料材料需要“硬而韌”的問題，本發明提供了一種硬度高，耐磨性好，結構致密，韌性好，結構可設計的梯度型納米微結構多晶超硬材料及其合成方法。

根據本發明的一方面，梯度型納米微結構多晶超硬材料包括其主體組份BxCyNz，WC，以及Ti、V、Si等元素的碳化物或氮化物等。重要的是其內部BxCyNz等子晶間形成了交互式生長。

BxCyNz等主體組份的子晶間具有納米微結構，沒有明顯晶界，子晶晶向不一致產生的生長應力分散在納米微結構之中，沒有形成內部應力集中。

其對硬度和強度等性能有重要影響的關鍵雜質元素，如鐵、鈷、鎳、硅、鈦、釩等，或其兩鐘，或兩種以上合金，沿著某設計方向呈梯度分布。

根據本發明的另一個方面，生產上述梯度型納米微結構多晶超硬材料的方法包括下述步驟：

(1)提供純凈的金剛石微米顆粒，或者cBN微米顆粒，或者二者混合材料，按照設計的元素組份形成BxCyNz前體原料。這些單晶超硬組份的微米顆粒的粒度為0.1-99微米。

(2)提供選自納米碳管(CVD方法生長)，金剛石和cBN微米顆粒(0.1-20微米)，或者三者混合物，用于生長納米微結構的納米碳材料。

(3)提供選自鐵、鈷、鎳、硅、鈦、釩等，或其兩鐘，或兩種以上納米合金粉末，用于子晶生長的觸媒。