一文了解聚晶金刚石


来源:中国粉体网   山川

[导读]  聚晶金刚石(PCD)不仅具有接近金刚石单晶的硬度、耐磨性,更具有优于单晶的各向异性及与硬质合金相当的抗冲击性,因此,被广泛应用于石油天然气开采、煤炭地质勘探、机械加工等领域中。

中国粉体网讯  聚晶金刚石(PCD)不仅具有接近金刚石单晶的硬度、耐磨性,更具有优于单晶的各向异性及与硬质合金相当的抗冲击性,因此,被广泛应用于石油天然气开采、煤炭地质勘探、机械加工等领域中。


 

(图片来源:南京现代金刚石制品有限公司)


聚晶金刚石的起源


自天然单晶金刚石被发现以来,另一种金刚石“卡博纳多”(黑金刚石)也相继被发现,这种金刚石在自然界很稀少。经过研究发现这是一种由大量金刚石单晶颗粒与微量杂质组成的块状多晶体。无序排列的金刚石微粒使其具有无解理面的特性,进而硬度、强度和耐磨性三种属性都要优于传统单晶金刚石。


人类对聚晶金刚石的制造灵感正是源于对其结构的认知。


前苏联与美国的科学家在1961-1970年期间投入大量精力进行人工聚晶金刚石的合成实验,并取得了一些成果。1964年GE公司首次以“某些金属添加剂能使金刚石与金刚石之间产生直接结合”申请了美国专利。历史上第一款实用型聚晶金刚石片由GE公司于1971年发明。PCD于1972-1973年间被进一步推广,主要制成刀具用于机械加工。随后性能更高的聚晶金刚石钻头产品于1976年推出面向钻探领域。


合成方法


1、爆炸法合成


在耐高压的容器中,利用爆炸产生的高温及动能推动金属片高速撞击石墨片后产生瞬间的高温高压环境,使石墨转化为微粉状态的聚晶金刚石。此方法合成的聚合物内部会存在石墨残留且无法合成规则的大尺寸聚晶,只能用于对品质要求不高的磨料级聚晶金刚石的制备。


2、低压气相沉积法


此方法核心原理是在低于1标准大气压(1.01×105Pa)的环境中把含有碳元素的气态原材料导入反应室内,在此条件下经过一系列复杂的化学反应过程,最终使气态原材料中的碳原子以金刚石相沉积在某种基底的表面,形成一层膜状聚晶金刚石,这种方法就是低压化学气相沉积法。使用CVD制备的聚晶金刚石膜因无需过度族金属的参与,热稳定性较高,同时可掺杂其他元素制备半导体材料,因而常应用于电子及光学领域。但目前存在的问题是合成周期长,产能较低等。


3、直接转化法


此方法是将高纯石墨微粉在超高压超高温(2000℃、13GPa以上)条件下直接转化为聚晶金刚石,这种方法可以合成出高纯金刚石,性能指标接近天然金刚石。但此方法对合成设备的要求极高,条件苛刻,产能低,成本高,现阶段无法实现工业化量产,只能停留在实验阶段。


4、高压高温溶剂法


此方法是在恒定的高压高温(5-7GPa,1300~1700℃)条件下在过渡金属或合金触媒的作用下,使金刚石微粉、石墨粉等原材料转变成为金刚石聚晶复合物。此方法的优点是合成周期短,对所使用的合成设备性能指标要求不高,间接起到节约成本的作用,非常适合工业生产的推广。但目前我国生产的聚晶金刚石与国外同类产品相比,在力学和电学等方面的性能依然存在一定的差距。


特性及应用


聚晶金刚石属于多晶体,具有多晶体的共性。由于晶粒在内部环境的排列是无规则的,因而具有内部长程无序,但短程有序的特点,使其各个方向理化性质无变化。因其无解理面的特性,相较于金刚石大单晶,它更耐冲击,应用时限制少,应用范围更为广泛。




聚晶金刚石的合成成本比天然和人造大单晶低,同时可根据需要制成不同的形状,兼具高硬度和高强度的特点,是工业应用的理想材质,现在金刚石在工业、科技、国防等领域都有所应用。但目前聚晶金刚石主要还是以工业化应用为主。


参考来源:

[1]陈东亮.聚晶金刚石的制备与性能研究

[2]邵华丽等.聚晶金刚石的热稳定性研究进展

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作者:山川

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