[發明專利]一種立方氮化硼-納米聚晶金剛石復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010230283.4
• 申請日: 2020-03-27
• 公開（公告）號: CN111348628A
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 李艷國;鄒芹;王明智;趙玉成;王志偉;鄒娟;尹育航
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: C01B21/064
• 分類號: C01B21/064;C01B32/15;C01B32/18;C04B35/52;C04B35/5831;C04B35/622;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李洪福

本發明屬于復合材料技術領域，涉及一種立方氮化硼?納米聚晶金剛石復合材料及其制備方法，其原料包括碳納米蔥(OLC)和立方氮化硼(cBN)，其中所述cBN的質量百分比為15～50wt.％，余量為OLC。制備時，將OLC和cBN兩種原料按照不同質量比進行混料；將混料后的cBN和OLC混合物進行預壓。然后，將預壓后的樣品進行高溫高壓燒結。燒結壓力為8～25GPa，燒結溫度為1600～2200℃，保溫時間為5～60min，隨后降溫卸壓，制得立方氮化硼?納米聚晶金剛石復合材料。本發明利用cBN與金剛石結構的相似性和對應性，降低了燒結條件，解決了采用OLC為原料制備聚晶金剛石燒結體的燒結條件高的問題，獲得了高硬度的立方氮化硼?納米聚晶金剛石復合材料。

技術領域

本發明屬于復合材料技術領域，涉及一種立方氮化硼-納米聚晶金剛石復合材料及其制備方法。

背景技術

聚晶金剛石(PCD)具有很高的硬度和耐磨性，它克服了單晶金剛石各向異性和{111}晶面解離破壞的缺點，被廣泛的應用在航空航天、電子、建筑、寶石加工、石油鉆井和地質勘探等眾多領域。聚晶立方氮化硼(PCBN)的硬度僅次于金剛石，聚晶的晶粒呈無序排列，各向同性，不存在解理面，具有較高的硬度、耐磨性和抗沖擊性，良好的熱穩定性、化學穩定性和導熱性，摩擦系數較低，廣泛應用于工業切削、新型刀具材料、耐磨鑄鐵類加工等領域。

王明智等采用納米圓蔥頭-碳為原料，利用六面頂壓機在2～6GPa/1000～1600℃/保溫1～6min合成了聚晶金剛石，其塊體致密，維氏硬度達到了HV45～61GPa，燒結體的晶粒度小于20nm，克服了現有工藝合成的PCD中弱相降低PCD性能的缺陷，并在較低的燒結條件下合成了高硬度的PCD[王明智,鄒芹,趙玉成.納米圓蔥頭-碳高溫高壓制備聚晶金剛石燒結體的方法：CN101723358A.燕山大學大學,2010年6月9日公開]。王明智等采用OLC與微米金剛石，利用六面頂壓機在在4～6.5GPa/1000～1600℃/保溫1～15min合成了聚晶金剛石，獲得的聚晶金剛石燒結體表面光潤、塊體致密，維氏硬度達到HV41-70GPa[王明智,鄒芹,趙玉成,等.納米圓蔥頭-碳+微米金剛石制備聚晶金剛石的方法：CN103274398A.燕山大學，2013年9月4日公開]。田永君等發明了一種超高硬度納米孿晶金剛石塊體材料及其制備方法，采用高密度缺陷的OLC在18-25GPa/1850-2000℃條件下合成了納米孿晶金剛石，納米孿晶金剛石中具有的獨特的孿晶結構，維氏硬度為155-350GPa；努氏硬度為140～240GPa；孿晶寬度為1～15nm，其硬度遠高于金剛石單晶體和超硬多晶金剛石的硬度[田永君,黃權,于棟利.超高硬度納米孿晶金剛石塊體材料及其制備方法：CN104209062A.燕山大學,2014年12月17日公開]。唐虎等在10-25GPa/1800℃條件下研究了OLC的相變行為。結果證實了OLC向金剛石的轉變和石墨向金剛石的轉變類似，是一個馬氏體相變過程。相變的發生導致了OLC(002)面的相互滑動。然而，封閉連續的碳殼層限制了(002)面的滑動，從而導致了應力的產生，孿晶金剛石的形成則是累計應力釋放的結果[唐虎.納米聚晶金剛石合成和碳納米蔥高溫高壓相變機理的研究[D].秦皇島：燕山大學，2018]。

現有技術制備的聚晶金剛石大多性能較低，性能較高的聚晶金剛石其制備條件較高，且存在碳納米蔥轉化不完全的問題。本發明制備同等性能的聚晶金剛石所需的條件較低，并且很好地解決了碳納米蔥轉化不完全的問題。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提供了一種立方氮化硼-納米聚晶金剛石復合材料及其制備方法。本發明以退火法制備的碳納米蔥(OLC)與立方氮化硼(cBN)的混合物為原料，采用高溫高壓(8～25GPa/1600～2200℃/保溫時間5～60min)燒結制備立方氮化硼-納米聚晶金剛石復合材料，利用cBN與金剛石結構的相似性和對應性，一定條件下雙方表面的原子能相互鍵合來降低燒結條件，獲得了一種高硬度的立方氮化硼-納米聚晶金剛石復合材料。

本發明采用的技術手段如下：