CN110090963A - 一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片及其制备方法，属材料学领域，该聚晶金刚石复合片是由镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉作为混合粉末，利用传统的六面顶大腔体压机在压力为5.5GPa～6.0GPa，温度为1500℃～1700℃的条件下与硬质合金烧结制得的；本发明利用碳纤维及铁镍合金粉为添加剂，制备用于钻探领域的高抗冲击韧性复合片，提升PDC复合片综合性能。进一步提高其强度、断裂韧性、抗冲击韧性以应对各种各样的复杂地层钻探。

Description

一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚晶金刚石复合片，具体涉及一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片及其制备方法，属材料学领域。
背景技术
人造金刚石材料(Polycrystalline Diamond，简称PCD)聚晶金刚石，是金刚石微粉在高压条件下烧结而成，PCD这种新型的超硬材料被广泛的应用于刀具、地质岩心钻探和石油开采钻探等领域，在石油天然气钻井与地质工程勘探等领域也是不断研究和突破的重点，但在某些极端工作环境条件下其应用效果并不理想。
多数PDC复合片是由金刚石微粉、钴粉与硬质合金基体在高温高压条件下烧结而成的一种复合超硬材料,由于金刚石、钴以及硬质合金三者的热膨胀系数相差悬殊，聚晶金刚石中残留的金属钴粘结剂将对其性能产生不良影响。因此，国内外的研究者开展了采用新型粘结剂烧结制备聚晶金刚石以及脱除聚晶金刚石中的金属钴的研究。
碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成的含碳量在90％以上的脆性纤维，它具有高导电、高比强、高导热、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、耐高温、耐腐蚀等优点。目前碳纤维主要用于增强碳化硅陶瓷基等复合材料，用于聚晶金刚石复合片的研究较少。中国专利文献CN103880460B公开了一种制备聚晶金刚石烧结体的方法，提到了聚晶金刚石和短切碳纤维，但采用的是微波热烧结的方法，利用溶胶将材料包裹后，微波加热烧结。这种方法无法得到聚晶金刚石，金刚石与金刚石之间不能形成有效键合。目前国内聚晶金刚石合成，在高温高压烧结，金刚石颗粒处于压缩状态，颗粒间接触，在粘结剂作用下，促使金刚石－金刚石直接键合(D-D键)成烧结体。
与用于刀具领域的PDC(聚晶金刚石复合片)复合片不同，用于钻探领域的复合片要考虑其在各种极端环境条件钻进硬岩，钻探领域PDC复合片要考虑其硬度、耐热性、耐磨性和抗冲击韧性综合性能。粒度小的金刚石微粉烧结的PDC复合片耐磨性好，但抗冲击性差，综合考虑钻探领域的实际应用效果，金刚石微粉在30um～50um时综合性能最优，单一粒径的微粉由于其堆积密度小，烧结的聚晶体内孔隙大，耐磨性低，粒度粗的微粉占据的比重越大，这种结果越明显，因此需要研究不同粒度配比，以期实现PDC复合片的综合性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片及其制备方法
，采用粒径为30um～50um镀硅金刚石微粉为主粒径，从最佳堆积密度最优配比出发，利用传统国产的六面顶大腔体压机，在压力5.5GPa～6.0GPa，温度1500℃～1700℃条件下，利用碳纤维及铁镍合金粉为添加剂，制备用于钻探领域的高抗冲击韧性复合片，提升PDC复合片综合性能。
为实现上述目的，本发明提出了一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片，其特征在于，该聚晶金刚石复合片是由镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉作为混合粉末，利用六面顶大腔体压机，在压力为5.5GPa～6.0GPa，温度为1500℃～1700℃的条件下与硬质合金烧结制得的；其中，按照重量百分比计，镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉的用量为：镀硅金刚石微粉80wt％～95wt％、碳纤维0.1wt％～2wt％、金刚石微粉1wt％～10wt％及铁镍合金粉1wt％～10wt％。
所述镀硅金刚石微粉的粒径为30um～50um。
所述碳纤维的粒度为1nm～100um。
所述金刚石微粉的粒径0.1um～12um。
所述铁镍合金粉的粒径1nm～8um。
所述铁镍合金粉中铁与镍的质量比为5:5。
所述硬质合金采用钨钴合金，硬质合金的含钴量为15％～16％。
所述硬质合金的直径为10mm～30mm，厚度为4mm～8mm。
本发明还提出了一种制备所述的高韧性导电型聚晶金刚石复合片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、准备原料：
①对金刚石微粉表面进行酸处理，去除金刚石微粉表面的残留金属杂质，蒸馏水洗至中性，干燥后，放入干燥容器内，备用；
②硬质合金净化处理：在无水乙醇条件下超声提取，去除硬质合金表面的杂质；
③按照重量百分比为镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉的用量为：镀硅金刚石微粉80wt％～95wt％、碳纤维0.1wt％～2wt％、金刚石微粉1wt％～10wt％及铁镍合金粉1wt％～10wt％，分别称量上述各组分，在球磨机下进行均匀混合，球磨采用球料比1：1，将已混好的粉料装入石墨杯中，然后将装有粉料的石墨杯置于真空炉内进行真空热处理，真空炉内最高温度为650℃，真空度为3×10-3Pa，得到混合粉末，将得到的混合粉末与净化处理后的硬质合金，放入金属容器，进行压片处理，得到复合材料；
步骤2、高温高压组装烧结工艺：
将除杂冷压后的复合材料随包裹在其外部的金属容器置于氧化锆包裹容器中，放在六面顶大腔体压机内经高温高压烧结，烧结后保温预定时间，得到聚晶金刚石复合片；
在高温高压烧结过程中，烧结压力P的范围为5.5GPa<P<6.0GPa，烧结温度T的范围为1500℃<T<1700℃，烧结持续时间t的范围为5min<t<20min；
步骤3、将步骤2中得到的聚晶金刚石复合片进行研磨抛光，即得到所述高韧性导电型聚晶金刚石复合片。
进一步，所述步骤2中，在烧结时，先以0.5GPa/min～1GPa/min的升压速率升压至烧结压力，20℃/s～40℃/s的升温速率升温至烧结温度进行高温烧结，且在1400℃保温60s后，30s内升至烧结温度，烧结结束后以15℃/s～30℃/s降温降至600℃，保温3min～5min后降至室温，以0.1GPa/min～0.8GPa/min降压速率降至常压。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提供了一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片及其制备方法，采用粒径为30um～50um镀硅金刚石微粉为主粒径，从最佳堆积密度最优配比出发，利用传统国产的六面顶大腔体压机，在压力5.5GPa～6.0GPa，温度1500℃～1700℃条件下，利用碳纤维及铁镍合金粉为添加剂，研究用于钻探领域的高抗冲击韧性复合片，提升PDC复合片综合性能。进一步提高其强度、断裂韧性、抗冲击韧性以应对各种各样的复杂地层钻探。
具体添加一定比例碳纤维采用本发明的方法，在高温高压条件下制备的聚晶金刚石复合片，显微硬度达到68(±2.1)GPa，断裂韧性达到9.4(±0.3)MPa·m1/2，抗冲击破碎能30(±2)J与不添加碳纤维的聚晶金刚石复合片相比，硬度提高55％，断裂韧性提高43.5％，抗冲击韧性提升86％。一定比例碳纤维的添加可以在金刚石颗粒之间中起到良好的增韧作用，PDC复合片从高温冷却下来后，纤维受拉应力、基体受压应力作用。当纤维受到较小的拉应力时会有利于高性能纤维强度的发挥，而基体受到压应力又会使其表面的裂纹愈合。提高聚晶金刚石复合片的断裂韧性和抗冲击韧性。
对碳纤维进行高温高压处理前后样品的拉曼光谱分析表明：合成产物中无金刚石单晶，拉曼光谱呈现为碳纤维的属性。均匀分散的碳纤维使得本发明制备的聚晶金刚石复合片除了具有良好的力学性能外还具有良好的导电和导热性能。其中碳纤维强化制备的聚晶金刚石导热性能提升32％。金刚石不导电，碳纤维强化制备的聚晶金刚石可以在材料内部形成三维导电网络，采用四探针法测得无碳纤维添加制备的聚晶金刚石复合片电阻率为412.16±15Ω·m，采用本发明碳纤维强化制备的聚晶金刚石复合片的电阻率为18.048±0.6Ω·m。电阻率与导电性成反比，因此可知碳纤维强化聚晶金刚石复合片的导电性能提升23倍左右，PDC复合片属于超硬材料，常规的加工手段无法进行切割，多数采用激光切割加工，激光加工需要材料的导电性能好，因此本发明制备的PDC复合片导电性能优越，更有利于后续对聚晶金刚石复合片进行加工及处理。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为不同粒径镀硅金刚石和金刚石混合示意分布图；
图2为氧化锆包裹容器的示意图；
图3为碳纤维增韧聚晶金刚石复合片的电镜图。
图中：Ⅰ为镀硅金刚石微粉，Ⅱ为金刚石微粉，Ⅲ为铁镍合金粉，Ⅳ为碳纤维，1为氧化锆包裹容器，2为保温片，3为复合材料。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明所提出的高韧性导电型聚晶金刚石复合片是由镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉作为混合粉末，利用传统的六面顶大腔体压机，在压力为5.5GPa～6.0GPa，温度为1500℃～1700℃的条件下与硬质合金烧结制得的；
按照重量百分比计，镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉的用量为：镀硅金刚石微粉80wt％～95wt％、碳纤维0.1wt％～2wt％、金刚石微粉1wt％～10wt％及铁镍合金粉1wt％～10wt％。
其中，镀硅金刚石微粉的粒径为30um～50um。
其中，碳纤维的粒度为1nm～100um。
其中，金刚石微粉的粒径0.1um～12um。
其中，铁镍合金粉的粒径1nm～8um，铁镍合金粉中铁与镍的质量比为5:5。
其中，硬质合金采用钨钴合金，硬质合金的含钴量为15％～16％，硬质合金的直径为10mm～30mm，厚度为4mm～8mm。
本发明所提出的高韧性导电型聚晶金刚石复合片，采用粒径为30um～50um的镀硅金刚石微粉为主粒径，从最佳堆积密度最优配比出发，利用传统国产的六面顶大腔体压机，在5.5GPa～6.0GPa，1500℃～1700℃条件下，利用碳纤维及铁镍合金粉为添加剂，研究用于钻探领域的高抗冲击韧性复合片，提升PDC复合片综合性能。进一步提高其强度、断裂韧性、抗冲击韧性以应对各种各样的复杂地层钻探。
碳纤维用于PDC复合片增韧，在于当裂纹发生扩展时，裂纹遇到特定位向和分布的碳纤维，难以偏转只能沿着原来的扩展路径继续扩展，碳纤维与复合片基体的界面结合较好，纤维即发生脱粘-拔出-断裂，形成断裂纤维桥联，消耗断裂能，增加了裂纹继续扩展的驱动力，有效阻碍了裂纹的扩展。
采用粒径为30um～50um的镀硅金刚石微粉为主粒径，与金刚石微粉混合，以铁镍合金粉为粘结剂，能有效改善钴Co作为粘结剂制备复合片因金刚石与Co的热膨胀系数相差很大，在金刚石界面产生热应力问题。镀硅金刚石表面的Si与金刚石在高温高压下结合牢固，形成SiC陶瓷相，SiC膨胀系数与金刚石相近，有效减少了PDC复合片因热膨胀系数差异产生的热残余应力。
图1为不同粒径镀硅金刚石和金刚石混合示意分布图；图2为氧化锆包裹容器1的示意图；图3为碳纤维增韧聚晶金刚石复合片的电镜图；图中Ⅰ为镀硅金刚石微粉，Ⅱ为金刚石微粉，Ⅲ为铁镍合金粉，Ⅳ为碳纤维，1为氧化锆包裹容器，2为保温片，3为复合材料，其中，保温片2为氯化钠保温片或氧化镁保温片。
六面顶大腔体压机腔体组装的结构采用叶腊石片加碳柱作为密封传压介质以及在混合粉末与净化处理后的硬质合金经压片处理得到的复合材料3外套有MgO管及石墨管的双层保温设计，确保本发明的六面顶大腔体压机腔体组装实现更高的温度梯度，保证腔体反应时的准确温度，以实现更好的实验效果。氧化锆包裹容器1的尺寸设计为直径30mm、高度30mm，所述氧化锆包裹容器1加工成0～3个贯穿孔，对所需对应尺寸复合片进行包裹，保温片2置于氧化锆包裹容器1中间，作为相对应复合片之间的隔断和保温作用。所烧结的复合片可以是直径30mm以下任意尺寸，直径10mm的复合片根据硬质合金厚度调整可一次性烧结6～9个，直径13mm～15mm的复合片根据硬质合金厚度调整可一次性烧结4～6个，合成的直径为15mm～30mm的复合片可根据需要激光切割成任意尺寸复合片，满足量化生产的需要，可大批量合成适用于钻探领域的高抗冲击韧性导电型聚晶金刚石复合片。
本发明所提出的高韧性导电型聚晶金刚石复合片制备方法，包括以下步骤：
步骤1、准备原料：
①金刚石微粉表面处理：采用王水或其它酸加热煮去金刚石微粉表面的残留金属杂质，蒸馏水洗至中性，干燥后，放入干燥容器内，备用，金刚石微粉先进行表面处理，再进行高温高压烧结，获得的材料强度和耐磨性高。
②硬质合金净化处理：在无水乙醇条件下超声30min，去除硬质合金表面的油污等杂质；
③按照重量百分比为镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉的用量为：镀硅金刚石微粉80wt％～95wt％、碳纤维0.1wt％～2wt％、金刚石微粉1wt％～10wt％及铁镍合金粉1wt％～10wt％，分别称量上述各组分，在球磨机下进行均匀混合，球磨采用球料比1：1，其中镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉总量为1g～6g，球磨介质为无水乙醇，无水乙醇的用量为10mL，球磨机的转速为600r/min，球磨机中钢球的直径为2mm，在球磨过程中每隔2h添加一部分无水乙醇，球磨48小时后停止球磨。打开球磨机后，待无水乙醇蒸发干，将已混好的粉料装入石墨杯中，然后将装有粉料的石墨杯置于真空炉内进行真空热处理，去除粉料表面吸附的氧、水蒸气等，并使其表面具有较好的反应活性，得到混合粉末，加热期间，真空炉内最高温度为650℃，真空度为3×10-3Pa；将得到的混合粉末与净化处理后的硬质合金放入金属容器，通过压料机进行压片处理，得到复合材料3，所述金属容器为金属钼容器或金属钽容器。
步骤2、高温高压组装烧结工艺：
将除杂冷压后的复合材料3随包裹在其外部的金属容器置于氧化锆包裹容器1中，放在六面顶大腔体压机内经高温高压烧结，并在烧结后保温一段时间，得到聚晶金刚石复合片；
在高温高压烧结过程中，烧结压力P的范围为5.5GPa<P<6.0GPa，烧结温度T的范围为1500℃<T<1700℃，烧结持续时间t的范围为5min<t<20min；
烧结时，先以0.5GPa/min～1GPa/min的升压速率至烧结压力，20℃/s～40℃/s的升温速率快速升温至烧结温度进行高温烧结，烧结结束后以15℃/s～30℃/s降温降至600℃，保温3min～5min后降至室温，以0.1GPa/min～0.8GPa/min降压速率降至常压；且本发明的烧结工艺在1400℃保温60s后，30s内升至烧结温度，因为烧结温度升到1400℃时，镀硅金刚石表面的Si会与金刚石发生反应，形成耐磨、耐高温的金属陶瓷相，同时极短时间内温度的快速提升，有助于硬质合金基体的钴液沿着金刚石颗粒间隙向金刚石层扫掠。
实施例1
本实施例中高韧性导电型聚晶金刚石复合片制备方法的制备方法如下：
步骤1、准备原料：
按照重量百分比粒径为30um～50um的镀硅金刚石微粉80wt％、粒度为1um～10um的碳纤维2wt％、粒径为4um～8um的金刚石微粉12wt％及粒径为2nm～8nm的铁镍合金粉6wt％，分别称量，在球磨机下进行均匀混合，球磨采用球料比1:1，镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉组成的混合材料质量为1g～6g，球磨介质为无水乙醇，用量为10mL，球磨机的转速为600r/min，球磨机中钢球的直径为2mm，在球磨过程中每隔2h添加一部分无水乙醇，球磨48小时后停止球磨。打开球磨机后，待无水乙醇蒸发干，将已混好的掺入粘结剂的金刚石粉料先装入石墨杯中，然后将装好料的石墨杯置于真空炉内进行真空热处理，去除粉料表面吸附的氧、水蒸气等，并使其表面具有较好的反应活性，得到混合粉末，加热期间，真空炉内最高温度为650℃，真空度为3×10-3Pa；称取真空热处理的混合粉末1g～6g和硬质合金放入金属钼容器中，然后将金属钼容器放入模具中进行预压成型，预压压力10MPa，保压时间60s，得到复合材料；
步骤2、高温高压烧结：
将除杂冷压后的复合材料3随包裹在其外部的金属钼容器置于氧化锆包裹容器1中，置于6*40MN的六面顶大腔体压机，以0.6GPa/min的升压速率升压至烧结压力5.5GPa，40℃/s的升温速率快速升温至1400℃保温60s，保温后在30s内快速升至1600℃，保温1000s，烧结结束后以25℃/min降温速率降至600℃，保温3min后降至室温，以0.5GPa/min降压速率降至常压。在喷砂机下去除复合片样品外包裹的金属钼容器，得到聚晶金刚石复合片，在体式显微镜初步观察，烧结体表面烧结均匀，无坑点、裂纹等缺陷；
步骤3、将步骤2中得到的聚晶金刚石复合片进行研磨抛光，即得到所述高韧性导电型聚晶金刚石复合片；
镀硅金刚石的Si已全部参与形成新相或键合，存在SiC陶瓷新相。Si与金刚石有相同晶格结构和晶格常数因此能够很好地润湿金刚石表面。SiC膨胀系数与金刚石相近，有效减少了PDC复合片因热膨胀系数差异产生的热残余应力，提升聚晶金刚石复合片的抗冲击韧性和耐高温性能。在抗冲击测试时，均匀分散的碳纤维具有纤维桥接和裂纹偏转效应，裂纹在遇到特定位向和分布的纤维时，很难偏转只能沿着原来的扩展路径继续扩展，由于纤维弹性系数略大于基体材料，裂纹尖端处的纤维并没有发生断裂，而是搭在裂纹两端，碳纤维有效抵消了外加拉应力的作用，使裂纹没有继续扩展的动力，起到增韧作用。碳纤维强化制备的聚晶金刚石复合片可以在材料内部形成三维导电网络。本实施例制备出的复合片初始氧化温度在968℃，提升约208℃，抗冲击韧性提升52％。导电性能提升19倍。
实施例2
本实施例中高韧性导电型聚晶金刚石复合片制备方法的制备方法如下：
步骤1、准备原料：
按照重量百分比粒径为30um～50um的镀硅金刚石微粉85wt％、粒度为10nm～20nm的碳纤维0.5wt％、粒径为8um～12um的金刚石微粉10wt％及粒径为2nm～8nm的铁镍合金粉4.5wt％，分别称量，在球磨机下进行均匀混合，球磨采用球料比1:1，镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉组成的混合材料质量为1g～6g，球磨介质为无水乙醇，用量为10mL，球磨机的转速为600r/min，球磨机中钢球的直径为2mm，在球磨过程中每隔2h添加一部分无水乙醇，球磨48小时后停止球磨。打开球磨机后，待无水乙醇蒸发干，将已混好的掺入粘结剂的金刚石粉料先装入石墨杯中，然后将装好料的石墨杯置于真空炉内进行真空热处理，去除粉料表面吸附的氧、水蒸气等，并使其表面具有较好的反应活性，得到混合粉末，加热期间，真空炉内最高温度为650℃，真空度为3×10-3Pa；称取真空热处理的混合粉末1g～6g和硬质合金放入金属钼容器中，然后将金属钼容器放入模具中进行预压成型，预压压力10MPa，保压时间60s，得到复合材料；
步骤2、高温高压烧结：
将除杂冷压后的复合材料3随包裹在其外部的金属钼容器置于氧化锆包裹容器1中，置于6*40MN的六面顶大腔体压机，以0.6GPa/min的升压速率升压至烧结压力5.8GPa，40℃/s的升温速率快速升温至1400℃保温60s，保温后在30s内快速升至1500℃，保温800s，烧结结束后以25℃/min降温速率降至600℃，保温3min后降至室温，以0.5GPa/min降压速率降至常压。在喷砂机下去除复合片样品外包裹的金属钼容器，得到聚晶金刚石复合片，在体式显微镜初步观察，烧结体表面烧结均匀，无坑点、裂纹等缺陷；
步骤3、将步骤2中得到的聚晶金刚石复合片进行研磨抛光，即得到所述高韧性导电型聚晶金刚石复合片；
镀硅金刚石的Si已全部参与形成新相或键合，存在SiC陶瓷新相。Si与金刚石有相同晶格结构和晶格常数因此能够很好地润湿金刚石表面。SiC膨胀系数与金刚石相近，有效减少了PDC复合片因热膨胀系数差异产生的热残余应力，提升聚晶金刚石复合片的抗冲击韧性和耐高温性能。在抗冲击测试时，均匀分散的碳纤维具有纤维桥接和裂纹偏转效应，裂纹在遇到特定位向和分布的纤维时，很难偏转只能沿着原来的扩展路径继续扩展，由于纤维弹性系数略大于基体材料，裂纹尖端处的纤维并没有发生断裂，而是搭在裂纹两端，碳纤维有效抵消了外加拉应力的作用，使裂纹没有继续扩展的动力，起到增韧作用。碳纤维强化制备的聚晶金刚石复合片可以在材料内部形成三维导电网络。本实施例制备出的复合片初始氧化温度在950℃，提升约190℃，抗冲击韧性提升56％。导电性能提升20倍。
实施例3
本实施例中高韧性导电型聚晶金刚石复合片制备方法的制备方法如下：
步骤1、准备原料：
按照重量百分比粒径为30um～50um的镀硅金刚石微粉86wt％、粒度为1um～10um的碳纤维1wt％、粒径为4um～8um的金刚石微粉9wt％及粒径为2nm～8nm的铁镍合金粉4wt％，分别称量，在球磨机下进行均匀混合，球磨采用球料比1:1，镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉组成的混合材料质量为1g～6g，球磨介质为无水乙醇，用量为10mL，球磨机的转速为600r/min，球磨机中钢球的直径为2mm，在球磨过程中每隔2h添加一部分无水乙醇，球磨48小时后停止球磨。打开球磨机后，待无水乙醇蒸发干，将已混好的掺入粘结剂的金刚石粉料先装入石墨杯中，然后将装好料的石墨杯置于真空炉内进行真空热处理，去除粉料表面吸附的氧、水蒸气等，并使其表面具有较好的反应活性，得到混合粉末，加热期间，真空炉内最高温度为650℃，真空度为3×10-3Pa；称取真空热处理的混合粉末1g～6g和硬质合金放入金属钼容器中，然后将金属钼容器放入模具中进行预压成型，预压压力10MPa，保压时间60s，得到复合材料；
步骤2、高温高压烧结：
将除杂冷压后的复合材料3随包裹在其外部的金属钼容器置于氧化锆包裹容器1中，置于6*40MN的六面顶大腔体压机，以0.6GPa/min的升压速率升压至烧结压力6.0GPa，40℃/s的升温速率快速升温至1400℃保温60s，保温后在30s内快速升至1700℃，保温900s，烧结结束后以25℃/min降温速率降至600℃，保温3min后降至室温，以0.5GPa/min降压速率降至常压。在喷砂机下去除复合片样品外包裹的金属钼容器，得到聚晶金刚石复合片，在体式显微镜初步观察，烧结体表面烧结均匀，无坑点、裂纹等缺陷；
步骤3、将步骤2中得到的聚晶金刚石复合片进行研磨抛光，即得到所述高韧性导电型聚晶金刚石复合片；
镀硅金刚石的Si已全部参与形成新相或键合，存在SiC陶瓷新相。Si与金刚石有相同晶格结构和晶格常数因此能够很好地润湿金刚石表面。SiC膨胀系数与金刚石相近，有效减少了PDC复合片因热膨胀系数差异产生的热残余应力，提升聚晶金刚石复合片的抗冲击韧性和耐高温性能。在抗冲击测试时，均匀分散的碳纤维具有纤维桥接和裂纹偏转效应，裂纹在遇到特定位向和分布的纤维时，很难偏转只能沿着原来的扩展路径继续扩展，由于纤维弹性系数略大于基体材料，裂纹尖端处的纤维并没有发生断裂，而是搭在裂纹两端，碳纤维有效抵消了外加拉应力的作用，使裂纹没有继续扩展的动力，起到增韧作用。碳纤维强化制备的聚晶金刚石复合片可以在材料内部形成三维导电网络。本实施例制备出的复合片初始氧化温度在988℃，提升约228℃，抗冲击韧性提升62％。导电性能提升21倍。
实施例4
本实施例中高韧性导电型聚晶金刚石复合片制备方法的制备方法如下：
步骤1、准备原料：
按照重量百分比粒径为30um～50um的镀硅金刚石微粉85wt％、粒度为10nm～20nm的碳纤维0.5wt％、粒径为4um～8um的金刚石微粉5wt％、粒径为8um～12um的金刚石微粉5wt％及粒径为2nm～8nm的铁镍合金粉4.5wt％，分别称量，在球磨机下进行均匀混合，球磨采用球料比1:1，镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉组成的混合材料质量为1g～6g，球磨介质为无水乙醇，用量为10mL，球磨机的转速为600r/min，球磨机中钢球的直径为2mm，在球磨过程中每隔2h添加一部分无水乙醇，球磨48小时后停止球磨。打开球磨机后，待无水乙醇蒸发干，将已混好的掺入粘结剂的金刚石粉料先装入石墨杯中，然后将装好料的石墨杯置于真空炉内进行真空热处理，去除粉料表面吸附的氧、水蒸气等，并使其表面具有较好的反应活性，得到混合粉末，加热期间，真空炉内最高温度为650℃，真空度为3×10-3Pa；称取真空热处理的混合粉末1g～6g和硬质合金放入金属钼容器中，然后将金属钼容器放入模具中进行预压成型，预压压力10MPa，保压时间60s，得到复合材料；
步骤2、高温高压烧结：
将除杂冷压后的复合材料3随包裹在其外部的金属钼容器置于氧化锆包裹容器1中，置于6*40MN的六面顶大腔体压机，以0.6GPa/min的升压速率升压至烧结压力6.0GPa，40℃/s的升温速率快速升温至1400℃保温60s，保温后在30s内快速升至1700℃，保温900s，烧结结束后以25℃/min降温速率降至600℃，保温3min后降至室温，以0.5GPa/min降压速率降至常压。在喷砂机下去除复合片样品外包裹的金属钼容器，得到聚晶金刚石复合片，在体式显微镜初步观察，烧结体表面烧结均匀，无坑点、裂纹等缺陷；
步骤3、将步骤2中得到的聚晶金刚石复合片进行研磨抛光，即得到所述高韧性导电型聚晶金刚石复合片；
镀硅金刚石的Si已全部参与形成新相或键合，存在SiC陶瓷新相。Si与金刚石有相同晶格结构和晶格常数因此能够很好地润湿金刚石表面。SiC膨胀系数与金刚石相近，有效减少了PDC复合片因热膨胀系数差异产生的热残余应力，提升聚晶金刚石复合片的抗冲击韧性和耐高温性能。在抗冲击测试时，均匀分散的碳纤维具有纤维桥接和裂纹偏转效应，裂纹在遇到特定位向和分布的纤维时，很难偏转只能沿着原来的扩展路径继续扩展，由于纤维弹性系数略大于基体材料，裂纹尖端处的纤维并没有发生断裂，而是搭在裂纹两端，碳纤维有效抵消了外加拉应力的作用，使裂纹没有继续扩展的动力，起到增韧作用。碳纤维强化制备的聚晶金刚石复合片可以在材料内部形成三维导电网络。本实施例制备出的复合片初始氧化温度在1050℃，提升约290℃，抗冲击韧性提升66％。导电性能提升23倍。

Claims (10)

1.一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片，其特征在于，该聚晶金刚石复合片是由镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉作为混合粉末，利用六面顶大腔体压机，在压力为5.5GPa～6.0GPa，温度为1500℃～1700℃的条件下与硬质合金烧结制得的；其中，按照重量百分比计，镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉的用量为：镀硅金刚石微粉80wt％～95wt％、碳纤维0.1wt％～2wt％、金刚石微粉1wt％～10wt％及铁镍合金粉1wt％～10wt％。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述镀硅金刚石微粉的粒径为30um～50um。
3.根据权利要求1所述的一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述碳纤维的粒度为1nm～100um。
4.根据权利要求1所述的一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述金刚石微粉的粒径0.1um～12um。
5.根据权利要求1所述的一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述铁镍合金粉的粒径1nm～8um。
6.根据权利要求1所述的一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述铁镍合金粉中铁与镍的质量比为5:5。
7.根据权利要求1所述的一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述硬质合金采用钨钴合金，硬质合金的含钴量为15％～16％。
8.根据权利要求7所述的一种高韧性导电型聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述硬质合金的直径为10mm～30mm，厚度为4mm～8mm。
9.一种制备权利要求1所述的高韧性导电型聚晶金刚石复合片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、准备原料：
①对金刚石微粉表面进行酸处理，去除金刚石微粉表面的残留金属杂质，蒸馏水洗至中性，干燥后，放入干燥容器内，备用；
②硬质合金净化处理：在无水乙醇条件下超声提取，去除硬质合金表面的杂质；
③按照重量百分比为镀硅金刚石微粉、碳纤维、金刚石微粉及铁镍合金粉的用量为：镀硅金刚石微粉80wt％～95wt％、碳纤维0.1wt％～2wt％、金刚石微粉1wt％～10wt％及铁镍合金粉1wt％～10wt％，分别称量上述各组分，在球磨机下进行均匀混合，球磨采用球料比1：1，将已混好的粉料装入石墨杯中，然后将装有粉料的石墨杯置于真空炉内进行真空热处理，真空炉内最高温度为650℃，真空度为3×10-3Pa，得到混合粉末，将得到的混合粉末与净化处理后的硬质合金，放入金属容器，进行压片处理，得到复合材料；
步骤2、高温高压组装烧结工艺：
将除杂冷压后的复合材料随包裹在其外部的金属容器置于氧化锆包裹容器中，放在六面顶大腔体压机内经高温高压烧结，烧结后保温预定时间，得到聚晶金刚石复合片；
在高温高压烧结过程中，烧结压力P的范围为5.5GPa<P<6.0GPa，烧结温度T的范围为1500℃<T<1700℃，烧结持续时间t的范围为5min<t<20min；
步骤3、将步骤2中得到的聚晶金刚石复合片进行研磨抛光，即得到所述高韧性导电型聚晶金刚石复合片。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，在烧结时，先以0.5GPa/min～1GPa/min的升压速率升压至烧结压力，20℃/s～40℃/s的升温速率升温至烧结温度进行高温烧结，且在1400℃保温60s后，30s内升至烧结温度，烧结结束后以15℃/s～30℃/s降温降至600℃，保温3min～5min后降至室温，以0.1GPa/min～0.8GPa/min降压速率降至常压。
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