[发明专利]一种团簇纳米聚晶金刚石-碳化硅烧结体及其制备方法

说明书

本发明涉及超硬材料技术领域，具体涉及一种团簇纳米聚晶金刚石‑碳化硅烧结体及其制备方法，由包含微米级的团簇纳米聚晶金刚石颗粒和纳米级的硅粉的原料，在5GPa～12GPa，1100℃～1650℃条件下烧结制成，在团簇纳米聚晶金刚石‑碳化硅烧结体中，团簇纳米聚晶金刚石颗粒的缝隙间填充有纳米晶粒的碳化硅粘接剂。本发明采用团簇的纳米晶粒的聚晶金刚石颗粒替代单个金刚石晶粒作为初始原料，并与硅粉混合，在高温高压下进行烧结，获得具有真正意义上由纳米晶粒多晶金刚石和纳米晶粒碳化硅构成的微观纯纳米结构的复合烧结体，兼具极高的硬度；同时在现有超硬材料工厂生产使用的压力条件下可实现该团簇纳米聚晶金刚石‑碳化硅烧结体的大规模生产。

技术领域

本发明涉及超硬材料技术领域，具体涉及一种团簇纳米聚晶金刚石-碳化硅烧结体及其制备方法。

背景技术

随着晶粒尺寸减小到纳米级别，材料通常会表现出更优越的力学和物理性能，例如机械强度增加、扩散率提高、比热率和电阻率更高。这种效应对金刚石也一样。已报道的通过直接转化法合成的无粘接剂的纳米聚晶金刚石就具有明显高于单晶金刚石的硬度和韧性。无粘接剂的纳米聚晶金刚石包括纳米聚晶金刚石和纳米孪晶金刚石，其中纳米聚晶金刚石的硬度约为单晶金刚石硬度的1.2倍，纳米孪晶金刚石的硬度约为单晶金刚石硬度的2倍。优异的力学性能赋予了纳米聚晶金刚石材料巨大的应用市场。但是无粘结剂的纳米聚晶金刚石块体需要非常高的合成压力和温度条件，纳米聚晶金刚石的最低合成压力约为15GPa，纳米孪晶金刚石的最低合成压力约为18GPa，这远远超过了目前超硬材料工厂生产时使用的压力。

传统的多晶金刚石复合片是由微米级金刚石晶粒与金属触媒(如铁、钴、镍)在高温高压条件下烧结而成。高温高压烧结时，金属触媒熔化并渗透进微米级金刚石晶粒的缝隙间，发生触媒效用促进金刚石晶粒间直接键合(D-D键合)，将金刚石晶粒烧结成一个整体。但是当金刚石晶粒的尺寸减小至2微米及亚微米以下时，金刚石晶粒间的缝隙变得很小导致液态的触媒难以渗透。因此亚微米和纳米晶粒的金刚石多晶很难通过金属触媒烧结成整体。

另一种实现多晶金刚石烧结的方式是使用硅等非金属触媒替代铁、钴、镍等金属触媒。高温高压烧结时，金刚石表面的碳原子与硅发生反应生成碳化硅。金刚石晶粒间通过碳化硅粘接在一起形成整体，即金刚石-粘接剂-金刚石的结合方式(D-M-D键合)。使用该方法目前可实现晶粒尺寸最小约为250nm的金刚石粉末多晶的烧结，并获得维氏硬度值约为50GPa的金刚石-碳化硅烧结体。由于碳化硅同金刚石具有相似的结构和相近的热膨胀系数，因此降低了金刚石颗粒与粘结材料之间的热膨胀差异。专利US 7060641 B2、US 2006/0217258 A1、ZL2008 1 0045670.X等相继介绍高温高压制备具有纳米结构的金刚石-碳化硅烧结体的方法。但所述方法制备的金刚石-碳化硅烧结体中只有碳化硅是纳米晶粒，其中的金刚石基本还是微米级或晶粒尺寸大于250纳米的金刚石晶粒，并未真正实现较低压力下的纳米晶多晶金刚石的烧结。

为此，本发明提供一种可在相对低的压力条件下合成的具有高硬度的纳米晶多晶金刚石-碳化硅烧结体及其制备方法。

发明内容