CN102173806A - 含有金刚石的复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有金刚石的复合材料及其制备方法，其中含有金刚石的复合材料的制备方法，包括如下步骤：将金刚石粉、碳粉加入具有一定粘度的液态有机材料中混合均匀形成混合浆料A，固化后研磨成粉料B；将粉料B经热模压成型，制得素坯；在气相硅环境中，高温烧结素坯，使硅元素渗透到素坯中与素坯中的碳元素反应生成碳化硅，制得含有金刚石的复合材料。本发明所提供的含有金刚石的复合材料的制备方法，烧结温度较低(＜1600℃)，制备工艺简单易行。同时，由该方法所制备含有金刚石的复合材料具有高硬度、耐磨性好、热导率高以及模量高的特性。

Description

含有金刚石的复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种含有金刚石的复合材料及其制备方法。

背景技术

金刚石是目前已知的最硬物质，其显微硬度可达10,000HV，同时由于金刚石还具有高热导率和耐磨损性，使得金刚石材料在用作超硬刀具方面具有很大的优势。在制作超硬刀具过程中，所采用金刚石原材料包括天然和人造两种，包括单晶金刚石(有天然和人造两种)、人造聚晶金刚石(PCD)和CVD金刚石。

在这些材料中，天然单晶金刚石资源稀少，由其所制成的刀具价格昂贵；而由人造聚晶金刚石制作刀具，需要利用钴等金属结合剂在高温(1800℃)、高压(5-6Gpa)下将金刚石单晶粉聚晶成多晶体材料，制作过程中需采用高压腔体，这种设备复杂，且所制备的材料尺寸小，往往＜φ80mm，这就提高了制作成本，同时也限制了刀具的制作尺寸。另外，CVD金刚石是在硬质合金基体上沉积一层厚度约10-30μm的多晶组成的膜状金刚石，由于金刚石薄膜与基体材料间的粘着力较小，限制了它的应用范围。

由于天然单晶金刚石资源稀少，人造聚晶金刚石又具有上述缺点，所以需要开发出一种具有品质优良、制备工艺简单的金刚石复合材料。

发明内容

本发明目的在于，克服现有技术的不足，提供一种烧结温度较低(＜1600℃)，制备工艺简单易行的含有金刚石的复合材料的制备方法。

为此，本发明提供了一种含有金刚石的复合材料的制备方法，包括如下步骤：将金刚石粉、碳粉加入具有一定粘度的液态有机材料中混合均匀形成混合浆料A，固化后研磨成粉料B；将粉料B经热模压成型，制得素坯；在气相硅环境中，高温烧结素坯，使硅元素渗透到素坯中与素坯中的碳元素反应生成碳化硅，制得含有金刚石的复合材料。

进一步地，上述粉料B中按重量份计包括30％～80％的金刚石粉、10～40％的碳粉以及10～30％的有机材料。

进一步地，上述碳粉为石墨粉，有机材料为酚醛树脂。

进一步地，上述形成混合浆料A的步骤进一步包括：将金刚石粉、碳粉加入具有一定粘度的有机材料后，球磨10～20h制得混合浆料A。

进一步地，上述将粉料B经热模压成型的步骤中，模压温度为150～250℃，模压压力为 10～30MPa。

进一步地，上述高温烧结素坯的步骤在高温真空炉中进行，其中烧结温度为1450～1600℃、真空度为20～200Pa、保温1～6小时。

进一步地，上述金刚石粉的目数为50～400目，碳粉的目数为200～400目。

同时，在本发明中还提供了一种含有金刚石的复合材料，包括金刚石和碳化硅，金刚石呈颗粒状均匀分散在碳化硅基体中。

进一步地，上述金刚石是目数为50～400目的颗粒。

进一步地，上述金刚石占复合材料总体积的20～70％。

本发明的有益效果：本发明所提供的含有金刚石的复合材料的制备方法，烧结温度较低(＜1600℃)，制备工艺简单易行。同时，由该方法所制备含有金刚石的复合材料具有高硬度、耐磨性好、热导率高以及模量高的特性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

附图构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明，附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：

图1中示出了本发明含有金刚石的复合材料的显微结构图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行详细说明，但如下实施例仅是用以理解本发明，而不能限制本发明，本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明的发明人旨在提供一种硬度高，耐磨性好且热导率高的复合材料代替传统的金刚石材料，如何在较低生产成本的基础上制作出这种硬度较高，耐磨性好且热导率高的复合材料，找到合适的原材料以及合适的成型工艺是关键。本发明发明人经反复研究，认为碳化硅材料的硬度仅次于金刚石材料，且碳化硅和金刚石二者具有相似的晶体结构，适宜制成新型复合材料。如果能将金刚石和碳化硅复合制成金刚石增强碳化硅复合材料，则既具有金刚石材料高硬度、耐磨损的优点，也具有SiC陶瓷材料易整体成型的优势，能充分发挥出金刚石刀具材料的耐磨性能和热稳定性能，并实现材料的大尺寸、低成本制备。

在本发明的一种典型的实施方式中提供了一种含有金刚石的复合材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：将金刚石粉、碳粉加入具有一定粘度的液态有机材料中混合均匀形成混合浆料A，固化后研磨成颗粒均匀的粉料B；将粉料B经热模压成型，制得素坯；在气相硅环境中(也可以在预置有硅粉的环境中)，高温烧结素坯，使硅元素渗透到素坯中与素坯中的碳元素反应生成碳化硅，制得含有金刚石的复合材料。上述有机材料的粘度无太多要求，只 要能够将金刚石粉和碳粉粘结在有机材料上即可。

本发明所提供的含有金刚石的复合材料的制备方法，通过利用碳化硅复合材料组份可设计、制备工艺丰富、且可以充分发挥出各组元性能的优势选择基材。这种含有金刚石的复合材料的制备方法，无需复杂设备，降低了对生产条件的要求，进而降低了生产成本。同时，选料范围较宽，原材料成本也相对降低，解决了现有金刚石超硬刀具材料的局限性，有助于拓宽金刚石材料在刀具领域的应用。

在本发明的一种典型的实施方式中，该含有金刚石的复合材料的制备方法中具有一定粘度的液态有机材料也可以通过采用有机材料粉投入到溶剂中配置而成，在这种情况下，将金刚石粉、碳粉，有机材料粉一起投入到溶剂中混合均匀形成混合浆料A，这里所指的溶剂可以是无水乙醇也可以是丙酮或水。溶剂的使用量可以根据所要制备的复合材料的各组分百分含量进行调节，在本发明提供的一个具体实施例中，采用的溶剂为无水乙醇，其用量与金刚石粉、碳粉，有机材料粉的总质量等重。

在本发明的一种典型的实施方式中，上述粉料B中按重量份计包括30％～80％的金刚石粉、10～40％的碳粉，以及10～30％的有机材料。在该范围内金刚石含量＞30wt％，保证了制备的金刚石复合材料具有高的硬度和热导率；金刚石含量＜80wt％，保证了金刚石复合材料具有良好的机械加工性能，能采用放电加工方式对制备的金刚石复合材料进行加工。碳粉含量＞10wt％，使得Si-C反应后能够生成足够的SiC将金刚石颗粒联成一体；碳粉含量＜40wt％，保证制备的金刚石复合材料中金刚石含量占主体，限制SiC含量，从而使复合材料具有较高的硬度和热导率。有机材料的投入量＞10wt％，有利于粉料B模压成型得到素坯；有机材料的投入量＜30wt％时，高温裂解后留下的孔隙在适中范围内，有利于后续高温烧结中气相Si的充分反应。

本发明所指的“具有一定粘度的有机材料”是指该有机材料具有粘附金刚石粉和碳粉的特性。因为具有粘附作用，所以当金刚石粉和碳粉与该有机材料接触后，即被粘附在有机材料表面，通过不断搅拌有机材料，使得金刚石粉和碳粉均匀分散，形成均匀分散体。在本发明含有金刚石的复合材料的制备方法中，有机材料的选择范围很广，如酚醛树脂、甲基纤维素、环氧树脂等，可根据不同的有机材料所具有的性能选择制作过程中的操作参数，本领域技术人员在本发明的基础上能够实现根据不同有机材料选择不同的操作参数以达到本发明所要达到的效果。在本发明中有机材料优选为酚醛树脂。同时，在本发明中碳粉优选为石墨粉。石墨粉原料成本低，有利于降低金刚石复合材料的制备成本。

以下详细描述一种基于有机材料为酚醛树脂，碳粉为石墨粉的含有金刚石的复合材料的制备方法的具体操作方法以及工艺参数。

在有机材料为酚醛树脂，碳粉为石墨粉的条件下，优选地，在形成混合浆料A的步骤进一步包括：将所述金刚石粉、碳粉加入具有一定粘度的酚醛树脂后，球磨10～20h制得混合浆料A。该步骤能够使混合浆料中金刚石粉和石墨粉混合的更为均匀。优选地，在将粉料B经热模压成型的步骤中，模压温度为150～250℃，模压压力为10～30MPa。更为优选地，在高温烧结素坯的步骤在高温真空炉中进行，其中烧结温度为1450～1600℃、真空度为20～200Pa、保温1～6小时。在该条件下制备含有金刚石的复合材料能够更好地使气相硅与素坯中的碳元素的反应率，形成足够的碳化硅，增加本发明含有金刚石的复合材料的强度。

优选地，在该含有金刚石的复合材料的制备方法中所使用的金刚石粉的目数优选为50～400目，碳粉(石墨粉)的目数优选为200～400目。在该范围内金刚石目数＞50目，保证了制备的金刚石复合材料具有良好的机械加工性能；金刚石目数＜400目，降低了金刚石和Si反应的活性，使得烧结后金刚石能完整保留在复合材料中。碳粉(石墨粉)目数＞200目，保证了C能充分反应生成SiC，碳粉(石墨粉)目数＜400，原材料成本低，有利于复合材料的低成本制备。

同时，在本发明中还提供了一种含有金刚石的复合材料，包括金刚石和碳化硅，金刚石呈颗粒状均匀分散在碳化硅基体中。碳化硅的硬度仅次于金刚石材料，其价格却远低于金刚石材料，采用碳化硅代替部分金刚石材料在保证含有金刚石的复合材料的硬度的基础上，降低了产品成本，同时，由于碳化硅的制作工艺丰富，也简化了本发明含有金刚石的复合材料的制作步骤。优选地，金刚石是目数为50～400目的颗粒。在该范围内，更为优选地，金刚石占本发明含有金刚石的复合材料体积的20～70％。在该范围内，制备的金刚石复合材料既具有高的硬度和热导率，又具有良好的机械加工性能。

以下结合具体实施例1-3，以及由实施例1-3所制备的样品1-3的测试结构进一步说明本发明含有金刚石的复合材料的有益效果。

实施例1

原料：金刚石粉80Kg、石墨粉10Kg以及液态酚醛树脂(西安太航阻火聚合物研究所，RFB牌号)10Kg。

制作方法：将金刚石粉、石墨粉、投入到液态酚醛树脂中球磨20小时得到混合浆料A，固化后研磨成均匀混合粉料B，使得混合粉料B中含有80wt％的金刚石，10wt％的石墨，10wt％的酚醛树脂。；将混合粉料B在模压温度为150℃、模压压力为10MPa的条件下热模压成型得到素坯；将素坯置于具有气相硅的高温真空炉中，控制烧结温度为1600℃，真空度200Pa，使硅元素渗透到素坯中与素坯中的碳元素反应生成碳化硅，保温6小时，制得本发明含有金刚石的复合材料样品1。

如图1所示，图1中示出了本发明实施例1制得的含有金刚石的复合材料的显微结构图。由图中可知，通过采用本发明所提供的含有金刚石的复合材料的制备方法所制备的金刚石的复合材料中金刚石颗粒混合均匀，保证了本发明所提供含有金刚石的复合材料整体性能良好。

实施例2

原料：金刚石粉30Kg、石墨粉40Kg以及液态酚醛树脂(西安太航阻火聚合物研究所，RFB牌号)30Kg。

制作方法：将金刚石粉、石墨粉、投入到液态酚醛树脂中球磨10小时得到混合浆料A，固化后研磨成均匀混合粉料B；使得混合粉料B中含有30wt％的金刚石，40wt％的石墨，30wt％的酚醛树脂。将混合粉料B在模压温度为250℃、模压压力为30MPa的条件下热模压成型得到素坯；将素坯置于具有气相硅的高温真空炉中，控制烧结温度为1450℃，真空度20Pa，使硅元素渗透到素坯中与素坯中的碳元素反应生成碳化硅，保温1小时，制得本发明含有金刚石的复合材料样品2。

实施例3

原料：金刚石粉60Kg、石墨粉30Kg以及酚醛树脂颗粒(西安太航阻火聚合物研究所，RFB牌号)25Kg。

制作方法：将金刚石粉、石墨粉、酚醛树脂颗粒投入到与金刚石粉、石墨粉、酚醛树脂粉的总质量等重的无水乙醇中球磨15小时得到混合浆料A，固化后研磨成均匀混合粉料B使得混合粉料B中，金刚石含量为53wt％、石墨粉含量为20wt％，酚醛树脂的含量为18wt％，无水乙醇含量为9wt％；将混合粉料B在模压温度为200℃、模压压力为20MPa的条件下热模压成型得到素坯；将素坯置于具有气相硅的高温真空炉中，控制烧结温度为1520℃，真空度100Pa，使硅元素渗透到素坯中与素坯中的碳元素反应生成碳化硅，保温1小时，制得本发明含有金刚石的复合材料样品3。

实施例4

原料：金刚石粉60Kg、石墨粉30Kg以及甲基纤维素颗粒(国药集团化学试剂有限公司生产，型号M450)25Kg。

制作方法：将金刚石粉、石墨粉、甲基纤维素颗粒投入到与金刚石粉、石墨粉、甲基纤维素颗粒的总质量等重的水中球磨15小时得到混合浆料A，固化后研磨成均匀混合粉料B使得混合粉料B中，金刚石粉含量为52wt％、石墨粉含量为22wt％，甲基纤维素的含量为17wt％，水的含量为9wt％；将混合粉料B在模压温度为100℃、模压压力为10MPa的条件下热模压成型得到素坯；将素坯置于具有气相硅的高温真空炉中，控制烧结温度为1520℃，真空度100Pa，使硅元素渗透到素坯中与素坯中的碳元素反应生成碳化硅，保温1小时，制得本发明含有金刚石的复合材料样品4。将由实施例1-4所制备样品1-4进行常规测试，具体测试项目以及测试结构如表1，表1示出了本发明含金刚石的复合材料的常规测试结构。

表1

由表1中结果可见，本发明所制备的含有金刚石的复合材料具有高硬度、高热导率、高模量等性能。同时，本发明所提供的含有金刚石的复合材料的制备方法与背景技术相比，克服了背景技术中聚晶金刚石材料的高温、高压制备方法的缺点，具有烧结温度低(＜1600℃)、制备工艺简单易行的优点。

同时，由图1可见，本发明所制备的含有金刚石的复合材料中金刚石混合均匀，保证了本发明所制备的含有金刚石的复合材料整体性能。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含有金刚石的复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将金刚石粉、碳粉加入具有一定粘度的液态有机材料中混合均匀形成混合浆料A，固化后研磨成粉料B；

将所述粉料B经热模压成型，制得素坯；

在气相硅环境中，高温烧结所述素坯，使硅元素渗透到所述素坯中与素坯中的碳元素反应生成碳化硅，制得所述含有金刚石的复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粉料B中按重量份计包括30％～80％的金刚石粉、10～40％的碳粉，以及10～30％的有机材料。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述碳粉为石墨粉，所述有机材料为酚醛树脂。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述形成混合浆料A的步骤进一步包括：将所述金刚石粉、碳粉加入具有一定粘度的有机材料后，球磨10～20h制得所述混合浆料A。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述将粉料B经热模压成型的步骤中，模压温度为150～250℃，模压压力为10～30MPa。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，高温烧结所述素坯的步骤在高温真空炉中进行，其中烧结温度为1450～1600℃、真空度为20～200Pa、保温1～6小时。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述金刚石粉的目数为50～400目，所述碳粉的目数为200～400目。

8.一种含有金刚石的复合材料，其特征在于，包括金刚石和碳化硅，金刚石呈颗粒状均匀分散在碳化硅基体中。

9.根据权利要求8所述的复合材料，其特征在于，所述金刚石是目数为50～400目的颗粒。

10.根据权利要求8所述的复合材料，其特征在于，所述金刚石占所述复合材料总体积的20～70％。

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