[其他]一种复合掺杂烧结多晶金刚石及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种多晶金刚石及其制备方法和用途。

目前，研制大颗粒人造金刚石的方法很多。按所用压力的特征可简单归纳为动态高压（简称动压）和静态高压（简称静压，一般也称高压）两大类。按形成机理的特征又可归纳为动压烧结多晶金刚石（采用烈性炸药引爆产生动压时称为爆炸烧结多晶金刚石）、静压生长单晶金刚石、静压生长多晶金刚石和静压烧结多晶金刚石四种。动压技术的特点是采用动态冲击波产生高压和高温的，一般所达到的压力为10²-10³千巴数量级，最高可达10⁴千巴数量级，作用时间只有10^-1-10¹微秒数量级，这种技术产生的压力和温度难以分别加以控制。用这种技术烧结的大颗粒多晶金刚石存在着内应力大、内含微裂、外形极不规则和容易发生脆断等问题。静压技术的特点是采用专门的容器对所用介质施加机械压缩产生高压，采用大电流内热样品产生高温，在8立方厘米较大的体积里可产生正常工作压力为60-65千巴，作用时间很长可达几昼夜，这种技术产生的压力和温度可以分别加以控制。这种技术的存在问题是提高压力十分困难，超过正常工作压力时容器寿命严重降低，以至一次性破坏。静压生长大单晶金刚石的一种方法是在磨料级金刚石工艺的基础上控制成核率和生长速度，较长时间缓慢生长达1.5-4.0毫米的单晶。另一种方法是在57千巴和高温1450℃条件下采用晶种温差原理，经七昼夜的控制，可得6.0毫米左右的优质大单晶。这种方法存在的问题是工艺复杂、重复性差、周期长、成本远比相同粒度的天然金刚石昂贵（约七倍左右）。静压生长多晶金刚石是在磨料级金刚石工艺的基础上增大压力以提高成核率和生长速度，在较短时间里形成的多晶体。这种多晶金刚石的下限生长压力为77千巴，高于容器的正常工作压力。这种多晶金刚石内应大、样品整体显微组织并不均匀、在动载条件下工作易脆断和外形往往有凹陷。可它内含较致密的显微组织区，可作在静载为主和光洁度要求较高的条件工作的小型工具。它的用途受到限制，价格也要高些。静压烧结多晶金刚石是在容器正常工作压力条件下形成，其下限烧结压力为30-40千巴，所以工艺重复性好，显微组织整体均匀，有效体积大。这种金刚石与上述几种相比，还有综合性能可以调剂，外形可按预定要求成型，成本最低，是代替工业用大颗粒天然金刚石的理想材料。这种多晶金刚石的制造方法在“物理学报”〔27（1978），344〕上发表的“高压下多晶金刚石的烧结机制”和“科学通报”〔中文版25（1980），111;英文版Kexue    Tongbao，25（1980）378〕上发表的“高压烧结多晶金刚石的若干研究”（Some    Investigations    on    Ultrahigh    Pressure    Sintering    of    Polycrystalline    Diamond）文章中已有描述。但是这种金刚石的综合性能或某一单项性能仍不够高，其使用水平处于中等阶段，而且离作光洁度要求高的工具如成品拉丝模还有较大差距。这些问题与微粉级特别几微米金刚石的高压烧结方法所存在的根本问题是相关的。

本发明的目的在于提出一种静压烧结多晶金刚石的方法，具体地说是选用复合掺杂烧结多晶金刚石的方法。

影响高压烧结多晶金刚石的因素很多，如压力、温度、时间等参数和它们之间的配合，又如原料金刚石和填加物的粒度、组份、类型和表面状态等及它们在高压高温下的状态、相变、相互作用性质。通常把填加物称为粘结剂并作为粘结作用来处理，我们认为填加物不仅具有粘结效应，还会具有激发金刚石颗粒间的自体结合效应，所以把填加物的作用统称为掺杂效应。这样，填加物也就称之为掺杂物。由于一般从粘结效应角度考虑选择掺杂物和掺杂方式，所以目前高压烧结多晶金刚石不能适应光洁度和耐冲击等要求高的条件下工作并且在已用的范围里也不是处于高水平的状态。因此，如何选择掺杂物的类型和掺杂方式是个重要的问题。

我们采用热力学方法来分析和处理高压烧结体系中有关凝聚相的特征参数，从而推导出该体系中金刚石（D）和掺杂物（I）相互作用性质的特征方程，为选择掺杂物和掺杂方式等提供科学依据，为探索高压烧结多晶金刚石的新途径、新方法和新工艺提供判据。特征方程的表达式如下：