[发明专利]一种无粘结剂多晶金刚石材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种无粘结剂多晶金刚石材料，制备原料包括50％～100％的金刚石微粉，0～50％的非金刚石碳粉；所述非金刚石碳包括石墨、无定型碳、碳纳米管、纳米洋葱碳、石墨烯、C60。上述无粘结剂多晶金刚石材料的制备方法，以50％～100％的金刚石微粉和0～50％的非金刚石碳粉为原料经高温高压烧结制备获得无粘结剂多晶金刚石材料成品。上述无粘结剂多晶金刚石材料非碳成分质量比低于1％，具有极高硬度、极高耐磨性及高热稳定性，应用于制作制备油气钻探的钻齿以及机械加工用刀具。

技术领域

本发明涉及金刚石材料技术领域，具体涉及一种无粘结剂多晶金刚石材料及其制备方法。

背景技术

作为碳的一种形态(同素异形体)，金刚石是已知最硬的材料，已广泛应用在工业上。人工合成金刚石始于上世纪50年代，人们在静高压5GPa-7GPa(1GPa约为一万大气压)、温度为1300℃-1800℃且有触媒的作用下将石墨转变成金刚石，目前已在工业领域大规模生产，应用于除黑色金属以外的材料的研磨、抛光、钻、铣、切削加工，以及石油、天然气、采矿等的钻头钻齿的制作。

到目前为止，工业界已经可以使用相关技术(温度梯度法、晶种法、气相沉积法等)合成出厘米级大小的高纯度单晶金刚石。但是单晶金刚石由于各向异性，虽然硬度高，但性脆，容易沿解理面开裂，且价格昂贵，目前多用于首饰及高加工精度的超硬刀具制备。聚(多)晶金刚石烧结体(PCD，polycrystalline diamond，刀具用多晶金刚石复合片；PDC，polycrystalline diamond cutter，油气钻探用多晶金刚石复合片)虽然硬度不如单晶金刚石，但由于其宏观上地各向同性、较高的韧性及相对低的价格，在工业上的应用性价比优于单晶金刚石，成为了量大面广的人工合成材料。

然而，目前工业上使用的多晶金刚石(PCD/PDC)材料中含有非碳成分的粘结剂，如：钴等金属材料，或碳化硅、碳化硼、碳化钛等非金属材料，其非碳成分粘结剂质量百分比通常大于1％(一般为5％-20％)，致使其耐磨性、硬度及热稳定性等低于单晶金刚石。其主要原因在于：多晶金刚石(PCD/PDC)材料工作前端通常处于高温高应力状态，而材料中含有的非碳成分粘结剂，其热膨胀系数、弹性模量与金刚石差别大，导致粘结剂与金刚石晶粒间存在明显的体积变化差异，进而在晶粒结合处产生高的应力，使得材料内部出现裂纹，影响使用寿命；另外，金属粘结剂的存在，会导致金刚石的高温石墨化。

聚(多)晶金刚石复合钻齿(Polycrystalline Diamond Cutter,PDC)是油气、采矿、地质钻探的关键工作部件，一般由多晶金刚石层(1mm-5mm，即工作层)及WC硬质合金基体在高温(～1200℃-1800℃)高压(5-8万大气压，1GPa约为一万大气压)下烧结复合而成。在2000m以上深井钻探中，油气钻头大多采用PDC钻齿对岩石进行切(刮)削钻进，具有高效、节能、可提高安全性及降低成本的优点，但对PDC钻齿的性能要求严格，相关技术已成为油气地质钻探的核心技术之一。油气钻探用高性能PDC复合钻齿的研发制备是一项高技术含量的系统工程，其PDC复合钻齿的性能是直接影响钻探效率、成本、安全性的关键要素。

聚晶金刚石是人造超硬复合材料的一种，目前国内外有两种途径制备聚晶金刚石：其一是利用静高压法或者爆轰法生产微、纳米金刚石粉体，再通过高温高压和粘合剂(或触媒/催化剂)作用下聚合生成聚晶金刚石，粘结剂的加入主要是为了降低高温高压烧结的温度压力条件，这是目前国内外通用的生产方法；另一种是利用爆炸法(激波法)直接生成聚晶金刚石颗粒，但上述聚晶金刚石颗粒的尺寸通常在0.1mm以内，且含有大量杂质，无法用于制作油气钻探用的钻齿(尺寸通常大于5mm)。