[发明专利]一种纳米金刚石/立方氮化硼块体及其制备方法

说明书

技术领域 本发明涉及一种材料及制备方法，特别是超硬材料及制备方法。

背景技术 传统的超硬材料在工业加工领域得到普遍应用，其主要的种类包括聚晶金刚石烧结体(PCD)及聚晶立方氮化硼烧结体(PcBN)。由于PCD的高硬度而被普遍用于硬脆材料及有色金属材料的加工方面，得到良好的效果。但由于金刚石与铁族元素在高温下易发生反应而失去硬度，较低的热稳定性温度，使其应用受到极大的限制；而PcBN对铁族元素的化学惰性及良好的热稳定性，是加工钢铁材料的主要品种，但其硬度远低于金刚石。因此，无论是金刚石还是立方氮化硼，都存在明显的优点和缺点。

有相关学者为达到制备兼具金刚石与立方氮化硼性能优点的材料，研究了不同前驱物在超高压及高温条件下制备BCN的方法与理论。E.Knittle等人以两种类型前驱物在30GPa+1500K条件下制备了C-BN(E.Knittle,et al.High-pressure synthesis,characterization,and equation of state of cubic C-BN solid solutions,PHYSICAL REVIE(B),1995,51:12149-12156)，得到的块体只能通过分析得到证实其具有金刚石与立方氮化硼的晶体结构特征；2001年Vladimir L.Solozhenko等人用类石墨的BC₂N为原料，在18GPa和2200K条件下制备出立方相的BC₂N，硬度介于立方氮化硼与金刚石之间(Vladimir L.Solozhenko,et al.Synthesis of superhard cubic BC₂N,APPLIED PHYSICS LETTERS,2001,78(10):1385-1387)；贺端威等人也展开了BCN材料的研究，以无定形碳与六方BN为原料，按化学剂量比并通过球磨制备BC₂N或BC₄N的混合物，在20GPa和2200K条件下制备出硬度分别为62GPa和68GPa的块体BC₂N和BC₄N(Y.Zhao，D.W.He，et al.Superhard B-C-N materials synthesized in nanostructured bulks.JOURNAL of MATERIALS RESEARCH,2002(17):3139-3145)；2011年贾晓鹏等人在触媒参与下，利用石墨与六方氮化硼为前驱物，在高温高压下制备了新型含有BCN的金刚石材料(X.B.Liu,X.P.Jia,et al.Synthesis and characterization of new BCN diamond under high pressuer and high temperature conditions,CRYSTAL GROWTH&DESIGN,2011,11:1006-1014)；贺端威等人在2013年报道了采用金刚石与立方氮化硼混合烧结的块体材料，获得了纳米尺寸立方结构的BCN块体，硬度达到70GPa(王培，贺端威等.金刚石与立方氮化硼超硬合金的合成与表征.第六届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集，2013，郑州，pp.82-88)。这些BCN材料是否兼具金刚石与立方氮化硼的优点，由于尺寸细小(小于2mm)，还未能制成工具或试样得到验证，且所用压力至少在12GPa以上，制备条件苛刻，难以工业化生产。并且得到的是B-C-N晶体。

发明内容 本发明的目的在于提供一种具有高度的组织相容性且兼具金刚石与立方氮化硼高硬度与高热稳定性及性能可控的纳米金刚石/立方氮化硼块体及制备方法。本发明是以立方氮化硼表面为纳米圆葱头-碳在高温高压下转变为纳米金刚石的非自发形核的核心，并使部分纳米圆葱头-碳依附立方氮化硼表面转变为金刚石结构，而且生成的纳米金刚石与立方氮化硼又能良好结合。

一、本发明的纳米金刚石/立方氮化硼超硬复合材料块体是由质量百分数25-75的纳米圆葱头-碳与质量百分数75-25的立方氮化硼两种原料烧结成的超硬复合材料块体，其维氏硬度为25-115GPa，断裂韧性为4.6-7.8MPa·M^0.5。

二、制备方法

1、原料

(1)纳米圆葱头-碳，其成分为碳，晶体结构为圆葱头－碳结构，含有少量纳米金刚石核心或不含有纳米金刚石核心，是由于其制备温度不同而异。