[发明专利]一种梯度型纳米微结构多晶超硬材料及其合成方法

说明书

【技术领域】

本发明是关于一种梯度型纳米微结构多晶超硬材料及其合成方法。

【背景技术】

随着新材料技术和现代制造业的发展，尤其是汽车、航空航天、石油钻探、电线电缆、木材以及光学器材等行业的发展，这些相关行业不仅采用的基础材料在硬度、耐磨性、强度等性能方面都大幅度提高，同时对这些相关材料部件的加工精度也有更高要求。“工欲善其身，必先利其器”，现代制造业在大量选用高精密数控设备的同时，对现代工具材料和工具产品也提出了更高的要求。

众所周知，金刚石是目前发现的硬度最高的材料，其导热性、耐磨性、强度都很高，是制作高性能工具材料的首选。但是，单纯的金刚石单晶材料，由于焊接困难、加工困难以及尺寸小等原因，使之大量用做磨料，制作砂轮、磨头和抛光制剂等，在大尺寸工具材料领域少有作为。所以各国科学界和产业部门都非常重视，目标是要寻找到一种方法，能够实现人工合成大尺寸、硬度高、耐磨性好、强度高、结构致密、韧性也好、可抛光光洁度高的超硬材料。

目前市场上应用的大尺寸金刚石复合材料，如PCD等，由于金刚石块体烧结时加入了较多的粘接金属和硬质合金颗粒(如美国专利No.3,745,623，UK.2,326,655等所公开的方法)，所以其晶体内部结构中就含有大量(6-20wt％)的金属粘结相，所以其耐磨性、硬度、致密度、热导率及摩擦系数等指标和应用性能均未能达到理想的高性能多晶金刚石要求，如典型的PCD，硬度只有50-60GPa。硬度、强度和韧性也需要进一步提高。

九十年代以来，化学气相沉积法(CVD)生长金刚石技术取得了大的进展，目前已经可以在一定基体(如Si)上生长大面积(如Φ200mm)的金刚石厚膜(如厚度约1-2mm)和薄膜。金刚石膜的硬度和纯度很高、耐磨性好、可抛光光洁度可达到很高，导热性较好，在热沉等方面有较好的应用，但由于CVD金刚石技术本身存在的许多还难以克服的技术矛盾，使CVD金刚石厚膜内部存在大量缺陷(如微裂纹、孔隙、非金刚石相等)和生长应力，结构不均匀，因而其强度很低、脆性大，再加上CVD厚膜质量不稳定且厚度也有限，故其在工具材料领域的应用受到很大的局限。

因此提供一种“硬(硬度达到80GPa以上)而韧”(比如球面冲击次数达到10万次以上)，结构可设计(如梯度型)，微观组织致密(如具有纳米微结构)，大尺寸多晶超硬材料及其合成方法实为必要。

合成多晶超硬材料的主要有两种方法，一种是CVD法，一种就是高温高压(HTHP)法。

CVD法生长超硬材料，如多晶金刚石和多晶cBN等材料，纯度高，硬度高，但是内部缺陷多，应力高，脆性大，性能不稳定，大规模工业化推广有很多技术局限。

HTHP法生产多晶超硬材料，工艺相对稳定，可规模化工业生产，产品原材料和工艺可以选择的空间大，且HTHP实现方法多样，有重要研究价值。在原材料，生长工艺，生长压力温度等热力学条件等方面技术有所突破，完全可以合成出具有新相结构和优异性能的多晶超硬材料。

碳纳米管自1991年被发现以来，其性能和制备工艺都得到了广泛的研究，方兴未艾。这也为新型多晶超硬材料合成提供了一种表面活性很高的纳米碳材料。

【发明内容】

为了解决多晶超硬材料材料需要“硬而韧”的问题，本发明提供了一种硬度高，耐磨性好，结构致密，韧性好，结构可设计的梯度型纳米微结构多晶超硬材料及其合成方法。

根据本发明的一方面，梯度型纳米微结构多晶超硬材料包括其主体组份BxCyNz，WC，以及Ti、V、Si等元素的碳化物或氮化物等。重要的是其内部BxCyNz等子晶间形成了交互式生长。

BxCyNz等主体组份的子晶间具有纳米微结构，没有明显晶界，子晶晶向不一致产生的生长应力分散在纳米微结构之中，没有形成内部应力集中。

其对硬度和强度等性能有重要影响的关键杂质元素，如铁、钴、镍、硅、钛、钒等，或其两钟，或两种以上合金，沿着某设计方向呈梯度分布。

根据本发明的另一个方面，生产上述梯度型纳米微结构多晶超硬材料的方法包括下述步骤：

(1)提供纯净的金刚石微米颗粒，或者cBN微米颗粒，或者二者混合材料，按照设计的元素组份形成BxCyNz前体原料。这些单晶超硬组份的微米颗粒的粒度为0.1-99微米。

(2)提供选自纳米碳管(CVD方法生长)，金刚石和cBN微米颗粒(0.1-20微米)，或者三者混合物，用于生长纳米微结构的纳米碳材料。

(3)提供选自铁、钴、镍、硅、钛、钒等，或其两钟，或两种以上纳米合金粉末，用于子晶生长的触媒。