一种类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法与流程

本发明涉及一种以类金刚石粉末为原材料，通过净化处理、预压成型，在高温超高压条件下制备高性能多晶金刚石的方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术：

金刚石是自然界中已知最硬的物质，具有极高的耐磨性、抗压强度、散热速率，金刚石单晶价格昂贵且具有解离面，工业中很多领域使用性价比更高的多晶金刚石材料来代替金刚石单晶。多晶金刚石被广泛应用于非铁金属和不含铁合金的切削加工，石油天然气及矿业勘采，木质地板加工等领域。

传统的多晶金刚石是在金刚石微粉中加入Co、Ni、TiC、TiN 等金属或陶瓷粉末均匀混合后，在高压高温下烧结而成的一种超硬复合材料，它在宏观上表现出各向同性和较高的硬度及韧性，在某些方面的应用性能优于单晶金刚石。但是，传统人造多晶金刚石材料由于粒度较大，很难达到用于超精细切削刀具刃口的平整度和锋利度。另外，传统人造多晶金刚石材料大多含有粘结剂，如：Co、Ni等，严重影响多晶金刚石材料的硬度、耐磨性、热稳定性。为了解决传统多晶金刚石的以上问题，近年来，出现了金刚石微粉不加烧结助剂直接在高温高压下制备多晶金刚石的技术；另外，发展了采用石墨、非晶碳等碳源为初始材料合成多晶金刚石的技术，提高了多晶金刚石的性能。但是，采用金刚石微粉为初始材料合成多晶金刚石容易在晶界处产生孔洞；采用石墨、非晶碳等碳源为初始材料合成多晶金刚石需要的温度压力（强）很高，生产成本高居不下。

类金刚石碳是一类含有金刚石结构（sp3杂化键）和石墨结构（sp2杂化键）的亚稳非晶态物质，可以分为含氢的类金刚石（a-C:H）和不含氢的类金刚石(a-C)两类。其中sp³/sp²杂化键含量的比例决定了类金刚石碳结构及性能的不同，sp³杂化键与金刚石中的键很相似决定其力学性能，而sp²杂化键与石墨中的键很相似决定其光学和电学性能。利用类金刚石粉末为原材料，在高温超高压下制备高性能多晶金刚石的报道还未出现。

技术实现要素：

本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种以类金刚石粉末为原材料，通过对原材料净化处理、预压成型，在高温超高压下制备高性能多晶金刚石材料的方法。

本发明的目的可通过下述技术措施来实现：

本发明的类金刚石直接转化合成纯相多晶金刚石的制备方法在高温高压条件下，采用类金刚石粉末为原材料制备而成；步骤如下：

a、真空高温处理，净化类金刚石表面：将酸溶除杂后的类金刚石粉末放入真空炉中（具体说，将酸溶除杂后的原料微粉用刚玉坩埚陈放，并用盖子盖住，放入真空炉处理腔中），在真空度优于4x10^-3Pa、温度为500-1000℃的条件下进行处理，处理时间为1-3小时；（酸溶除杂可得到高纯度类金刚石粉末初始材料，若原料本身很纯，可以不再进行此步骤。除杂的工艺流程为：连续酸溶、粉液分离洗涤、加热烘干三道工序。其中酸的种类，浓度和与原料的比值可根据具体情况适当变动）；

b、装配烧结单元：将步骤a处理净化后的类金刚石粉末放入包裹材料中，预压成型后，放入高压合成装置的样品腔中；所述的包裹材料为表面打磨和抛光、进行去油、超声波清洗、红外烘干的钽箔包裹材料；

c、高温高压烧结：在烧结压力为4-20GPa、烧结温度为1000-2700℃的条件下烧结10-1800秒；烧结完毕后缓慢降温至室温，然后开始降压；使类金刚石粉末转化为纯相金刚石，得到高性能多晶金刚石块体材料；

d、后续加工：将步骤c所得多晶金刚石块体材料放入酸液中去除包裹材料，采用金刚石磨片打磨样品至光亮。

本发明步骤d中所述酸液是由浓度为30%氢氟酸与浓度为40%硝酸混合而成，其中氢氟酸与硝酸的体积比为1∶1。

本发明利用高温超高压条件，使原材料中类金刚石转化为纯相金刚石，且金刚石晶粒均匀分布，大面积形成结合紧密、高强度的金刚石--金刚石直接成键合，所述多晶金刚石块体材料的晶粒尺寸为5 nm—100um。

本发明是利用高温超高压条件下制备的高性能多晶金刚石。六面顶压机是目前生产金刚石微粉，烧结传统人造多晶金刚石的主要设备。本发明可以在现有设备的基础上，大规模制备高性能多晶金刚石材料。

本发明的有益效果如下：

本发明的多晶金刚石材料，采用类金刚石粉末为原料，利用高温超高压条件，使类金刚石原材料转化为纯相的金刚石，形成结合紧密、高强度的金刚石—金刚石成键界面，最终烧结成多晶金刚石，多晶金刚石的晶粒尺寸为5 nm—100um。这种高性能多晶金刚石材料不添加金属粘结剂，而是利用高温超高压条件，使类金刚石原材料转化为纯相的金刚石，且通过压力和温度的控制，调控多晶金刚石的微结构，得到晶粒尺寸为5 nm—100um的多晶金刚石。

本发明所述的高性能多晶金刚石的硬度与天然的金刚石单晶硬度相当，热稳定性及切削性能也明显优于含粘结剂的传统人造金刚石聚晶。这种材料不仅可作为普通切削刀具材料，也可作为超高精度切削刀具材料。

附图说明

图1本发明工艺流程图。

图2烧结单元装配图。

图中序号：1 叶腊石，2 白云石， 3 热电偶，4 石墨，5 钢碗，6 钛片，7 样品，8，陶瓷管 9，钽杯。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例（附图）作进一步描述：

实施例1：

1、选用平均粒径为0-2μm的类金刚石粉末，按照图1所示的工艺流程图制备出高性能多晶金刚石材料。

2、将类金刚石粉末先放入浓度为20%-40%的氢氟酸中处理，处理完毕后，待粉末沉降完毕，倒去液体，并用去离子水重复稀释至接近中性。将氢氟酸处理后的粉末置于浓度为20%-38%的盐酸中，酸与粉末的加入量比值为2毫升/克拉 （ml/ct），水浴加热70℃并连续搅拌，处理时间为72小时；处理完毕后，待微粉沉降完毕，倒去液体，并用去离子水重复稀释至接近中性。以上酸溶除杂过程反复进行3-5次后，在烧杯中沉降粉末，沉降完毕后倒去液体，留下粉末，将留下的粉末放入加热炉进行烘干处理，处理温度为70℃，直至烘干。

3、再进行真空高温处理，将除杂后的粉末用刚玉坩埚陈放，并用盖子盖住，放入真空炉处理腔，处理真空度为4x10^-3Pa，温度为800℃，处理1小时，去除金刚石表面吸附的氧、氮、水蒸气等杂质。

4、按照烧结单元装配图组装烧结单元，如图2所示。先打磨和抛光包裹材料（9）钽箔表面，进行去油、超声波清洗、红外烘干处理；将净化处理后的类金刚石粉末放入包裹中，预压成型，并按照装配图组装烧结单元组；高温高压烧结时，烧结压力为10 GPa,烧结温度为1800℃,烧结时间为1000秒，烧结完毕后缓慢降温至室温，然后开始降压；降温降压后，将样品放入浓度30%氢氟酸20ml与浓度40%硝酸20ml组成的混合酸中去除包裹材料钽箔，采用金刚石磨片打磨样品至光亮。

采用此工艺制备的高性能多晶金刚石材料物相只含金刚石相，且通过压力和温度的控制，使类金刚石原材料转化为纯相的金刚石，调控多晶金刚石的微结构，得到晶粒尺寸为5 nm—100um的多晶金刚石。此材料具有高硬度和致密度，高的热稳定性，耐磨性和韧性，是一种性能非常优越的超硬材料。

实施例２

本实施例的步骤1、2与实施例1相同，不再重复。

3、再进行真空高温处理，将除杂后的粉末用刚玉坩埚陈放，并用盖子盖住，放入真空炉处理腔，处理真空度为4x10^-3Pa，温度为1000℃，处理2小时，去除金刚石表面吸附的氧、氮、水蒸气等杂质。

4、按照烧结单元装配图组装烧结单元，如图2所示。先打磨和抛光包裹材料（9）钽箔表面，进行去油、超声波清洗、红外烘干处理；将净化处理后的类金刚石粉末放入包裹中，预压成型，并按照装配图组装烧结单元组；高温高压烧结时，烧结压力为10 GPa,烧结温度为2300℃,烧结时间为600秒，；保温完毕后缓慢降温至室温，然后开始降压，；降温降压后，将样品放入浓度30%氢氟酸20ml与浓度40%硝酸20ml组成的混合酸中去除包裹材料钽箔，采用金刚石磨片打磨样品至光亮。