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国内外超硬材料的发展

发布时间:2016-10-09    来源:德商五金    点击:

硬度明显高于硬质材料的一类材料称为超硬材料。目前超硬材料主要是指金刚石和立方氮化硼。硬质材料与超硬材料在硬度上的差别如表1所示。
1、超硬材料品种的发展
1.1天然金刚石
天然金刚石是在地壳深处结晶形成的存在于地表下深度为100—300km的金伯利岩中。最适宜的结晶条件是压力57GPa温度1200—1800℃。
天然金刚石分为宝石级钻石和工业级。宝石级按照4C指标划分优劣等级。4C指标:Carat(克拉 克拉数表示颗粒大小);Colour(色泽);Cutting(切磨形状及完整性);Clarity(纯净度即清澈透明程度表示内部瑕疵包裹体及裂隙等缺陷。)工业级天金刚石称为工业碎钻是达不到宝石级指标的工业用途产品。天然金刚石原生矿主要分布在南非扎伊尔等国印度和我国有少量砂矿。历史上最大一颗原石重达3106克拉尺寸为100mm×65mm×50mm于1905年发现于南非。我国在1977年12月21日在山东临沭县常林村发现了一颗巨钻重158.9克拉淡黄色光彩夺目被视为国宝命名为常林钻石。

1.2人造金刚石

工业生产金刚石的主要方法是利用石墨为原料镍钴等触媒金属为催化剂在大约5GPa和1700K的高温高压条件下将石墨转化生成金钢石。

人造金刚石产品可按照晶形颜色粒度冲击强度高温强度等多项指标进行分级。晶形完整色浅透明粒径较大强度较高者称为高品级产品。

1.3碳-60

需要特别提出的是近年来出现的一种新材料碳-60。其结构形状是空心笼类似于足球故又名为巴基球。它的硬度可以与世界上最硬的材料金刚石相媲美。它是一种特殊结构的石墨烯。其不同节点上的碳原子可以被其他多种不同原子所置换从而生成多种多样的性能迥异的新材料因此碳-60被称为21世纪的科学圣诞树。

1.4立方氮化硼

立方氮化硼只有人造的没有天然的它在自然界是不存在的。

立方氮化硼是在人工合成金刚石成功之后科学家发挥联想采用类似于合成金刚石的原料设备和技术创造出来的一种新材料其硬度仅次于金刚石是有别于金刚石的又一类超硬材料。它的问世完全是人类智慧的结晶是科学技术发展的成果。


2、金刚石产品的发展

2.1人造金刚石单晶

(1)Debeers公司现更名为E.S公司产品
Debeers公司是世界上最大的金刚石垄断企业控制天然金刚石的85%。其人造金刚石 部分从Debeers公司分离出来更名为元素六公司现在是国外最著名的人造金刚石公司产品系列最为齐全。
高强度金刚石SDA\ADV\DSN系列:
SDA系列(SDAD、SDA+)为该公司久负盛名的传统高品级产品;
SDB1000系列(DB1025—SD B1125)为粉状触媒生产的高档新产品;
DSN系列(DSN41—DSN47)为新购德国温特技术生产的高档新产品。
中强度金刚石:MDA系列。
特殊产品系列:
CDA(PDA321)低强度自锐性金刚石。我国开发出了类似的CSD产品。
MONOCRYSTAL,大单晶金刚石扁平形状直径达10mm。
需要说明的是新的系列编号统一为PDA系列PDA999-PDA321中共12个牌号是按照强度指标从高到低的顺序排列的。其中PDA321对应的原牌号为CDA。
(2)美国G.E(公司现更名为D.I公司)产品
GE公司的超硬材料分部后改名为Diamondin—novations公司。它是与元素六公司并列的世界著名金刚石公司也有类似的各系列金刚石产品。
高强度产品:MBS700系MBS900系列;
中强度产品MBG系列(MBG300MBG600-660);

强度产品:RVG系列。

2.2人造金刚石聚晶和金刚石薄膜

钻头聚晶:圆柱形、三角形,复合片;
刀具聚晶:复合片,带硬质合金衬底;
CVD金刚石薄膜(被称为21世纪的新材料):工具薄膜,用作刀具、耐磨部件;功能薄膜,用作声、光、电、热等各种功能元件。

还有拉丝模聚晶等。


3、合成金刚石专用超高压高温设备

压机大型化:压机吨位逐步扩大,500t→5000t→10000t。
控制方式改进:沿着人工→自动化→智能化→网络化的方向发展。
国内外金刚石工业用压机主要有以下3种:
六面顶压机:高压腔直径,10mm→30mm→70mm;
年轮式两面顶:高压腔直径,18mm→50mm→100mm;

凹模式两面顶:高压腔直径,12mm→30mm→60mm。


4、超硬材料制造和检测技术的进展

选择最有代表性的制造技术和检测技术其进展情况绍如下。

4.1超硬材料制造技术的进展

4.1.1原辅材料的改进

石墨原料与合金触媒的改进传统原料为片状叠装石墨片与触媒片间隔叠加成圆柱状新型原料为粉状混装粉末触媒与高纯石墨二者混合均匀压制成型为圆柱状。同时粉末触媒与石墨的纯度大大提高杂质含量由原先的100PPM减少到不足50PPM。传压密封介质的改进原先为单一介质现在采用复合介质介质材料由叶蜡石改进为叶蜡石+白云石+其他添加剂。同时采用内外不同材质例如以下多层结构:导热绝缘体(内)—发热体(中)-复合传压密封隔热绝缘介质(外)。

4.1.2组装结构的改变

先前为直接加热式组装结构,内部是原料柱原料本身通电发热外部是绝缘隔热的介质温度分布是内高外低与压力分布的高低恰恰相反不符合生长优质金刚石条件。现在采用间接加热式组装结构, 内部原料柱本身不通电发热外围的发热体发热。热量由外向内传导与压力传递的方向一致亦即温度梯度与压力梯度的方向一致从而保障了压力场与温度场分布互相匹配有利于满足优质金刚石生长条件。

4.1.3压力温度动态匹配新工艺

传统的外加压力和加热功率固定不变的静态生长工艺不适合大腔体生长高品级金刚石。采用自行开发的压力与温度双参数动态匹配新工艺使得2个参数维持在理想的生长区间并且可以沿着金刚石等质量线方向在限定的范围内移动实现动态匹配金刚石得以长时间稳定地连续生长从而生产出高品级产品。

4.2 检测技术的进步

检测项目在原有项目基础上又新增加了多个检测项目。检测仪器除了与各个检测项目相适应的专门监测仪器之外还开发出了FACT检测系统DiaInspect。OSM图像分析系统M3001激光粒度分析仪等设备。


5、结语

超硬材料及制品领域的科技进步和工业发展经过了半个多世纪的历程。我国经历了从无到有从小到大两个阶段现在进入了从弱变强的第三个发展阶段。我国超硬材料金刚石和立方氮化硼年产量居世界第一约占全世界的34。其中单晶产量占90% 而高端的刀具用复合聚晶产品差距明显是需要努力攻关的课题之一。

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