[發明專利]一種無粘結劑多晶金剛石材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010054918.X
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111233476A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 賀端威
• 申請（專利權）人: 成都東為科技有限公司
• 主分類號: C04B35/528
• 分類號: C04B35/528;C04B35/83;C04B35/645;E21B10/46
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 胡曉麗

本發明公開了一種無粘結劑多晶金剛石材料，制備原料包括50％～100％的金剛石微粉，0～50％的非金剛石碳粉；所述非金剛石碳包括石墨、無定型碳、碳納米管、納米洋蔥碳、石墨烯、C60。上述無粘結劑多晶金剛石材料的制備方法，以50％～100％的金剛石微粉和0～50％的非金剛石碳粉為原料經高溫高壓燒結制備獲得無粘結劑多晶金剛石材料成品。上述無粘結劑多晶金剛石材料非碳成分質量比低于1％，具有極高硬度、極高耐磨性及高熱穩定性，應用于制作制備油氣鉆探的鉆齒以及機械加工用刀具。

技術領域

本發明涉及金剛石材料技術領域，具體涉及一種無粘結劑多晶金剛石材料及其制備方法。

背景技術

作為碳的一種形態(同素異形體)，金剛石是已知最硬的材料，已廣泛應用在工業上。人工合成金剛石始于上世紀50年代，人們在靜高壓5GPa-7GPa(1GPa約為一萬大氣壓)、溫度為1300℃-1800℃且有觸媒的作用下將石墨轉變成金剛石，目前已在工業領域大規模生產，應用于除黑色金屬以外的材料的研磨、拋光、鉆、銑、切削加工，以及石油、天然氣、采礦等的鉆頭鉆齒的制作。

到目前為止，工業界已經可以使用相關技術(溫度梯度法、晶種法、氣相沉積法等)合成出厘米級大小的高純度單晶金剛石。但是單晶金剛石由于各向異性，雖然硬度高，但性脆，容易沿解理面開裂，且價格昂貴，目前多用于首飾及高加工精度的超硬刀具制備。聚(多)晶金剛石燒結體(PCD，polycrystalline diamond，刀具用多晶金剛石復合片；PDC，polycrystalline diamond cutter，油氣鉆探用多晶金剛石復合片)雖然硬度不如單晶金剛石，但由于其宏觀上地各向同性、較高的韌性及相對低的價格，在工業上的應用性價比優于單晶金剛石，成為了量大面廣的人工合成材料。

然而，目前工業上使用的多晶金剛石(PCD/PDC)材料中含有非碳成分的粘結劑，如：鈷等金屬材料，或碳化硅、碳化硼、碳化鈦等非金屬材料，其非碳成分粘結劑質量百分比通常大于1％(一般為5％-20％)，致使其耐磨性、硬度及熱穩定性等低于單晶金剛石。其主要原因在于：多晶金剛石(PCD/PDC)材料工作前端通常處于高溫高應力狀態，而材料中含有的非碳成分粘結劑，其熱膨脹系數、彈性模量與金剛石差別大，導致粘結劑與金剛石晶粒間存在明顯的體積變化差異，進而在晶粒結合處產生高的應力，使得材料內部出現裂紋，影響使用壽命；另外，金屬粘結劑的存在，會導致金剛石的高溫石墨化。

聚(多)晶金剛石復合鉆齒(Polycrystalline Diamond Cutter,PDC)是油氣、采礦、地質鉆探的關鍵工作部件，一般由多晶金剛石層(1mm-5mm，即工作層)及WC硬質合金基體在高溫(～1200℃-1800℃)高壓(5-8萬大氣壓，1GPa約為一萬大氣壓)下燒結復合而成。在2000m以上深井鉆探中，油氣鉆頭大多采用PDC鉆齒對巖石進行切(刮)削鉆進，具有高效、節能、可提高安全性及降低成本的優點，但對PDC鉆齒的性能要求嚴格，相關技術已成為油氣地質鉆探的核心技術之一。油氣鉆探用高性能PDC復合鉆齒的研發制備是一項高技術含量的系統工程，其PDC復合鉆齒的性能是直接影響鉆探效率、成本、安全性的關鍵要素。

聚晶金剛石是人造超硬復合材料的一種，目前國內外有兩種途徑制備聚晶金剛石：其一是利用靜高壓法或者爆轟法生產微、納米金剛石粉體，再通過高溫高壓和粘合劑(或觸媒/催化劑)作用下聚合生成聚晶金剛石，粘結劑的加入主要是為了降低高溫高壓燒結的溫度壓力條件，這是目前國內外通用的生產方法；另一種是利用爆炸法(激波法)直接生成聚晶金剛石顆粒，但上述聚晶金剛石顆粒的尺寸通常在0.1mm以內，且含有大量雜質，無法用于制作油氣鉆探用的鉆齒(尺寸通常大于5mm)。