[發明專利]超高硬度納米孿晶氮化硼塊體材料及其合成方法

有效

• 申請號: 201210285274.0
• 申請日: 2012-08-03
• 公開（公告）號: CN103569976A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 田永君;于棟利;徐波;何巨龍;柳忠元;胡文濤;羅坤;高宇飛;趙智勝
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: C01B21/064
• 分類號: C01B21/064
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司 11258
• 代理人: 肖善強

技術領域

本發明涉及超硬材料領域，具體涉及一種超高硬度納米孿晶氮化硼塊體材料及其制備方法。?

背景技術

工業上應用的超硬材料主要是金剛石和立方氮化硼。金剛石是一種具有超硬、耐磨、熱敏、傳熱導和半導體等優異的物理性能，是自然界中最堅硬的物質，素有“硬度之王”的美稱。金剛石的用途非常廣泛，例如：工藝品、工業中的切割工具等。立方氮化硼是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成的，是繼人造金剛石問世后出現的一種新型超硬材料。它具有很高的硬度、熱穩定性和化學惰性，以及良好的透紅外光和較寬的禁帶寬度等優異性能，它的硬度僅次于金鋼石，但熱穩定性遠高于金鋼石，對鐵系金屬元素有較大的化學穩定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產率，還能有效地提高工件的磨削質量。立方氮化硼的使用是對金屬加工的一大貢獻，導致磨削發生革命性變化。為獲得廣泛的工業應用，人們將金剛石或立方氮化硼與結合劑在高溫高壓下燒結而得到金剛石聚晶或立方氮化硼聚晶。?

然而，工業應用的金剛石或立方氮化硼粒度很小，雖然金剛石聚晶或立方氮化硼聚晶可以做成大尺寸塊材，但由于有結合劑，使得這種聚晶的強度較低。為進一步提高超硬材料的性能，日本的Tetsuo?Irifune等人采用超高壓高溫技術在12-25GPa和2300-2500℃條件下將石墨直接轉變為超硬多晶金剛石，這種多晶金剛石為淡黃色透明塊體，塊體直徑可達7.5mm，努普顯微壓痕硬度高達140GPa。一般商用立方氮化硼聚晶的維氏硬度為?33-45GPa，為提高立方氮化硼聚晶的性能，日本的Takashi采用非晶BN粉為原料，在7.7GPa、2200℃條件下制備出立方氮化硼燒結體，其維氏硬度提高到51GPa。最近，Solozhenko等人采用一種類石墨結構的BN，在20GPa、1770K條件下制備出納米晶立方氮化硼，其維氏硬度最高可達到85GPa。?

但是，這些立方氮化硼材料仍存在各種缺點，主要是它們的硬度較低，不能完全滿足實際需要。并且，目前獲得的立方氮化硼材料顆粒體積太小，難以直接應用。為此，工業界存在對硬度更高、塊體尺寸更大的立方氮化硼材料的持續需求。?

發明內容

本發明提供了一種超高硬度納米孿晶氮化硼塊體材料及其制備方法。?

本發明基于以下出人意料的發現：代替常規使用的氮化硼粉末或類石墨結構氮化硼，使用圓蔥頭結構的納米球形氮化硼為原料，在高溫高壓下制備納米孿晶氮化硼塊體材料，這種球形顆粒在高溫高壓下轉變為立方氮化硼的過程中會形成大量孿晶，同時會避免晶粒長大而獲得含有高密度孿晶的立方氮化硼納米晶；因為孿晶能夠有效提高材料的強度和硬度，所以獲得了硬度超高的立方氮化硼材料。?

使用圓蔥頭結構的納米球形氮化硼來制備高硬度立方氮化硼材料未見報道。納米孿晶氮化硼塊體的合成也未見報道。?

具體地，本發明公開了一種超高硬度納米孿晶氮化硼塊體材料的高壓合成制備方法，包括以下步驟：?

(1)使用納米球形氮化硼(圓蔥頭結構)顆粒為原料，放入模具中壓成預制坯；?

(2)將預制坯放入高壓合成模具中，保持在4-25GPa、1200-2300℃的條件下；?

(3)卸壓冷卻。?

作為本發明的原料的具有圓蔥頭結構的納米球形氮化硼是近年來開發的一種已知材料，也有文獻稱之為圓蔥頭(或洋蔥頭)結構氮?化硼。該材料的性質、特征和制備方法都是本領域技術人員已知的。例如，2011年2月10日公開的美國專利申請12/698,897(公開號US2011/0033707A1)、唐成春等人的論文“Synthetic?Routes?and?Formation?Mechanisms?of?Spherical?Boron?Nitride?Nanoparticles”，Advanced?Functional?Materials，2008，18，P3653-3661等均對該材料有詳細描述。上述文獻通過引用將其全文并入本申請。?

“圓蔥頭結構”(“onion-like?structure”，亦稱“洋蔥頭結構”)是晶體學領域公知的，即在電鏡下觀察這些顆粒具有多層同心球狀結構。?