[发明专利]一种碳纳米管-纳米聚晶金刚石复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种碳纳米管‑纳米聚晶金刚石复合材料及其制备方法，其原料包括碳纳米葱(OLC)和碳纳米管(CNT)，其中所述CNT的质量百分比为10～30wt.％，余量为OLC。制备时，将OLC和CNT两种原料按照不同质量比进行混料；将混料后的CNT和OLC混合物装填入硬质合金模具中预压，预压压力为400～600MPa。然后，把预压后的样品装入模具中进行高温高压烧结。烧结压力为7～25GPa，烧结温度为1800～2200℃，保温时间为5～60min，随后降温卸压，制得碳纳米管‑纳米聚晶金刚石复合材料。本发明采用CNT平衡烧结体内部压力损耗，降低了烧结条件，解决了采用OLC为原料制备聚晶金刚石烧结体的烧结条件高的问题，获得了高硬度的碳纳米管‑纳米聚晶金刚石复合材料。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种碳纳米管-纳米聚晶金刚石复合材料及其制备方法。

背景技术

聚晶金刚石(PCD)具有很高的硬度和耐磨性，它克服了单晶金刚石各向异性和{111}晶面解离破坏的缺点，被广泛的应用在航空航天、电子、建筑、宝石加工、石油钻井和地质勘探等众多领域。

王明智等采用纳米圆葱头-碳为原料，利用六面顶压机在2～6GPa/1000～1600℃/保温1～6min合成了聚晶金刚石，其块体致密，维氏硬度达到了HV45～61GPa，烧结体的晶粒度小于20nm，克服了现有工艺合成的PCD中弱相降低PCD性能的缺陷，并在较低的烧结条件下合成了高硬度的PCD[王明智；邹芹；赵玉成。纳米圆葱头-碳高温高压制备聚晶金刚石烧结体的方法：CN101723358A.燕山大学大学,2010年6月9日公开]。王明智等采用碳纳米葱(OLC)与微米金刚石，利用六面顶压机在在4～6.5GPa/1000～1600℃/保温1～15min合成了聚晶金刚石，获得的聚晶金刚石烧结体表面光润、块体致密，维氏硬度达到HV41-70GPa，[王明智,邹芹,赵玉成,等.纳米圆葱头-碳+微米金刚石制备聚晶金刚石的方法：CN103274398A.燕山大学，2013年9月4日公开]。田永君等发明了一种超高硬度纳米孪晶金刚石块体材料及其制备方法，采用高密度缺陷的碳纳米葱(OLC)在18-25GPa/1850-2000℃条件下合成了纳米孪晶金刚石，纳米孪晶金刚石中具有的独特的孪晶结构，维氏硬度为155-350GPa；努普硬度为140～240GPa；孪晶宽度为1～15nm，其硬度远高于金刚石单晶体和超硬多晶金刚石的硬度[田永君；黄权；于栋利。超高硬度纳米孪晶金刚石块体材料及其制备方法：CN104209062A.燕山大学,2014年12月17日公开]。唐虎等在10-25GPa/1800℃条件下研究了OLC的相变行为。结果证实了OLC向金刚石的转变和石墨向金刚石的转变类似，是一个马氏体相变过程。相变的发生导致了OLC(002)面的相互滑动。然而，封闭连续的碳壳层限制了(002)面的滑动，从而导致了应力的产生，孪晶金刚石的形成则是累计应力释放的结果[唐虎,纳米聚晶金刚石合成和碳纳米葱高温高压相变机理的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2018]。

但是，以碳纳米葱(OLC)为前驱物合成PCD需要极高的压力和温度条件(P≥18GPa，T≥2300℃)，对设备的要求高，成本高昂，且合成PCD的尺寸最大不足3mm，难以应用。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种碳纳米管-纳米聚晶金刚石复合材料及其制备方法。本发明以退火法制备的OLC与碳纳米管(CNT)的混合物为原料，采用高温高压(7～25GPa/1800～2200℃/保温时间5～60min)烧结制备碳纳米管-纳米聚晶金刚石复合材料，利用CNT断裂时形成的封闭球状结构平衡了烧结体内部压力损耗，降低了烧结条件，获得了一种高硬度的碳纳米管-纳米聚晶金刚石复合材料。

本发明采用的技术手段如下：

一种碳纳米管-纳米聚晶金刚石复合材料，碳纳米葱(OLC)与碳纳米管(CNT)混合烧结制得所述碳纳米管-纳米聚晶金刚石复合材料，其中，制备所用原料质量百分数为：碳纳米管占总质量的10～30wt.％，余量为碳纳米葱。