[发明专利]异质结构金刚石/立方氮化硼复合块材及其制备方法

说明书

本发明涉及一种新型异质结构金刚石/立方氮化硼(cBN)复合块材及其制备方法，属于超硬复合材料领域。本发明以洋葱碳纳米颗粒和六方BN微米片为原料，通过静电自组装工艺精心制备了洋葱碳纳米颗粒包裹六方BN微米片的前驱体，然后结合高温高压条件下的结构相变，使洋葱碳纳米颗粒转变成了纳米孪晶金刚石，六方BN微米片转变成了细长片层状cBN，两者构筑成异质结构金刚石/cBN复合块材。合成的异质结构金刚石/cBN复合块材的努氏硬度为50‑180GPa，断裂韧性为15‑25MPa·msupgt;1/2/supgt;。这种金刚石/cBN复合块材在精密机械加工、地质勘探及化石燃料开采等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于无机材料领域，具体涉及一种新型异质结构超硬复合块材及其制备方法。

背景技术

超硬材料一般是指维氏硬度超过40GPa的材料。金刚石和立方氮化硼(cBN)作为超硬材料领域两种主要的工具材料，在机械加工、化石燃料开采和地质勘探中都发挥着举足轻重的作用。金刚石是自然界已知材料中最硬的，根据其晶向不同金刚石单晶的维氏硬度为60-120GPa。但是金刚石在700℃左右开始发生石墨化，且它在作为工具材料使用时易与铁元素发生反应。cBN单晶的耐热性和化学惰性均优于金刚石，但是其硬度偏低，根据其晶向不同cBN单晶的维氏硬度只有30-43GPa。当研究者们试图使用它们的粉体烧结得到块材时，由于金刚石和cBN具有强共价键，它们的粉体烧结性较差，在工业压力条件下合成的块材往往不够致密，难以具有使用价值。目前商用的聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)是通过添加钴等金属粘结剂得到的，块材的断裂韧性虽有所提高，但同时带来了新的问题，如高温软化和抗氧化温度降低。现有的PCD和PCBN难以很好地满足现代加工业的需求，因此合成出具有极高硬度、优异断裂韧性和热稳定性的超硬材料是研究者们不断追寻的目标。

在材料领域中，异质结构材料近年来引起了研究人员的极大兴趣。所谓异质结构材料是指由微观组织结构差异、晶体结构差异或成分差异造成的区域之间的强度差异的材料。精心设计的异质结构材料有望实现均质材料无法达到的优异性能组合(文献：“Heterogeneous material:a new class of materials with unprecedentedmechanical properties”,Mater.Res.Lett.,2017,5,527-532；“Towards understandingthe structure-properties relationships of heterogeneous-structuresmaterials”,Scr.Mater.,2020,186,304-311)。例如香港城市大学的朱运田教授以粗晶钛为原料通过异步轧制技术和退火工艺制备了异质片层结构钛：超细晶的“硬”基体中嵌入“软”片层，实现了超细晶的强度和传统粗晶的塑性(文献：“Heterogeneous lamellastructure units ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility”,Proc.Natl.Acad.Sci.USA.,2015,112,14501-14505)。虽然已合成了多种异质结构金属材料，但是相比之下，由于金刚石和cBN的强共价键，导致其难以变形，制备异质结构金属材料时运用到的与塑性变形相关的工艺难以在此类材料中运用，因此类似的异质结构在超硬材料中还没有实现。目前实验上合成的金刚石/cBN复合块材主要是以金刚石和cBN粉体为原料通过在高温高压下烧结得到的(文献：“Diamond-cBN alloy:A universal cuttingmaterials”,Appl.Phys.Lett.,2015,107,101901；“Ultrahard stitching ofnanotwinned diamond and cubic boron nitride in C₂-BN composite”,Sci.Rep.,2016,6,1-9)，这些复合材料的微观结构与金刚石和cBN的起始粒径相关，而进一步的微结构调控受到了限制，其性能仍难以满足工业应用的要求。

发明内容