[发明专利]一种制备致密聚晶金刚石的方法和一种硼掺杂聚晶金刚石

说明书

本发明提供了一种制备致密聚晶金刚石的方法和一种硼掺杂聚晶金刚石，涉及高性能材料技术领域。本发明将具有金刚石核芯的碳纳米葱与硼源混合，得到混合料；所述硼源为单质硼或氧化硼；然后将所述混合料依次进行初步预压成型和二次高压预压成型，得到预成型料；再将所述预成型料进行高温高压烧结，得到致密硼掺杂聚晶金刚石块体；所述高温高压烧结的条件包括：烧结温度为1200～2000℃，烧结压力为5～10GPa，保温保压时间为1～200min。本发明以具有金刚石核芯的碳纳米葱作为碳原料，掺加硼元素，能够较大程度地降低聚晶金刚石的合成条件，适合工业化生产；且提高了聚晶金刚石的性能。

技术领域

本发明涉及高性能材料技术领域，特别涉及一种制备致密聚晶金刚石的方法和一种硼掺杂聚晶金刚石。

背景技术

金刚石是目前已知的世界上最硬的材料。自上世纪50年代人工合成金刚石以来，金刚石及其制品就被广泛地应用于加工领域，被用作于切削和磨抛工具等。然而，人工合成的金刚石由于其颗粒细小并不能直接用作切割工具，通常以金刚石微粉通过粉末烧结的方式烧结在一起得到各项同性的聚晶金刚石。然而，基于热力学考虑，金刚石是常压亚稳相，一定高的温度会促使其向石墨发生转变。与此同时，金刚石有着非常高的分解温度，意味着直接通过金刚石粉末的自扩散烧结得到聚晶金刚石在常压是不可行的。为了保证烧结时烧结条件是金刚石的相稳定区域(金刚石和石墨的温度和压力相平衡线以上)，一个合适的烧结条件对于金刚石的烧结是十分重要的。然而，要同时满足这两个因素，纳米聚晶金刚石的烧结需要非常苛刻的烧结条件，这个条件是现在工业级高温高压很难达到的。

基于以上事实，数十年来，工业生产的聚晶金刚石通常是通过添加助剂实现烧结的。烧结助剂一般分为金属和陶瓷，其性能远低于金刚石，从而大大削弱了聚晶金刚石的性能。因而，能够工业合成无添加剂的聚晶金刚石一直以来是本领域技术人员梦寐以求的。2003年，日本爱媛大学Irifune教授与他的合作者以多晶石墨作为前驱物在高温高压条件下成功制备得到纳米聚晶金刚石(Irifune T,et al..Nature,2003,421(6923):599-600.)。由于其晶粒细小(10～30nm)，合成的纳米聚晶金刚石具有非常高的硬度，其努普硬度高达110～140GPa，超过了天然金刚石单晶的硬度。后续的研究证明，纳米聚晶金刚石作为切削工具，其性能全面优于单晶金刚石和传统的聚晶金刚石(SUMIYA H,et al..Diamondand Related Materials,2012,24:44-48；Harano K,et al..Diamond and RelatedMaterials,2012,24:78-82.)。因此，纳米聚晶金刚石被认为是最有潜力的新一代切削工具。

遗憾的是，苛刻的合成条件(≥15GPa和2300℃)限制了纳米聚晶金刚石工业化的生产，少量的生产也由于成本使售价过高导致市场难以接受。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种制备致密聚晶金刚石的方法和一种硼掺杂聚晶金刚石。本发明提供的方法能够较大程度地降低聚晶金刚石的合成条件，并提高聚晶金刚石的性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种制备致密聚晶金刚石的方法，包括以下步骤：

(1)将具有金刚石核芯的碳纳米葱与硼源混合，得到混合料；所述硼源为单质硼或氧化硼；

(2)将所述混合料依次进行初步预压成型和二次高压预压成型，得到预成型料；所述初步预压成型的压力为300～500MPa；所述二次高压预压成型的压力为3～5GPa，温度为600～800℃；

(3)将所述预成型料进行高温高压烧结，得到致密硼掺杂聚晶金刚石块体；所述高温高压烧结的条件包括：烧结温度为1200～2000℃，烧结压力为5～10GPa，保温保压时间为1～200min。

优选地，所述步骤(1)中的硼源为化学纯，所述硼源的粒径≤5微米。