本发明涉及超硬质材料技术领域，具体而言，涉及一种金刚石芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具。
背景技术：
现有技术中，通常使用单独的金刚石或者单独的立方氮化硼(pcbn，polycrystallinecubicboronnitride)作为超硬刀具切削材料。金刚石由于热稳定性较差，在空气中约600℃开始氧化，而且金刚石在高温下易于与黑色金属发生化学反应，因此工业上无法应用于切削淬硬钢等材料；立方氮化硼可以切削淬硬钢，但是很少用于加工石材等更硬的材质，因为立方氮化硼硬度只有金刚石的一半，对高硬度材质的加工效率较低。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术知识存在如下问题：金刚石在对黑色金属进行切削时容易石墨化，而立方氮化硼的硬度较金刚石的低，对于高硬度的材料进行切削的效果不好。
技术实现要素：
本发明实施例的目的在于提供一种金刚石芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具，形成核壳结构，使材料的热稳定性、化学惰性和硬度提高，耐磨损性能增强。
第一方面，本发明实施例提供一种金刚石芯纳米聚晶材料，包括内核和外壳，内核包括纳米金刚石，外壳包括b－c－n固溶体。
由于形成了纳米金刚石内核和b－c－n固溶体外壳，在进行金属切削的过程中，外壳的b－c－n固溶体与金属材料接触，避免金刚石发生石墨化，且由于金刚石为金刚石芯纳米聚晶材料的内核，在使用金刚石芯纳米聚晶材料进行切削的过程中，b－c－n固溶体内的基体结构纳米金刚石不会发生坍塌，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，外壳的氮原子、硼原子与碳原子之间形成三维网状、强共价键的致密外壳结构。
使外壳的b－c－n固溶体与内核的纳米金刚石的连接更加稳定，晶界严密闭合，使硼原子、碳原子和氮原子之间形成高原子密度结构，进一步提高金刚石芯纳米聚晶材料的性能。
第二方面，本发明实施例提供了一种金刚石芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：
将纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体通过湿混在超声条件下填充进入氮化硼纳米管内得到填充体，后将填充体在真空的条件下处理，再预压成型得到坯件；将坯件烧结固溶强化得到金刚石芯纳米聚晶材料。
通过湿混和超声处理，能够克服纳米材料本身的势垒，将纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体定向填充进入氮化硼纳米管内形成填充体，且在真空的条件下处理，排出氮化硼管内的气体，能够使纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体和氮化硼纳米管之间的连接更加紧密，再预压成型，减少初始材料颗粒之间的空隙，提高纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体与氮化硼管之间及填充体材料之间的致密性，并通过烧结固溶强化，使得到的金刚石芯纳米聚晶材料的表面为b－c－n固溶体，内核为纳米金刚石且表面与内核的结构的晶界连接更加致密。通过纳米颗粒填充氮化硼管，最终定向制备以金刚石为内核与b－c－n固溶体为外壳的金刚石芯纳米聚晶材料，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且热稳定性和化学惰性提高，耐磨性能增强。
现有技术中，金刚石与立方氮化硼的机械混合会导致部分没有形成固溶体表层的金刚石或者立方氮化硼暴露在块体材料表面，或者强度较低的立方氮化硼为内核的金刚石－立方氮化硼合金，不能够达到定向制备的效果。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，将将纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体通过湿混在超声条件下填充进入氮化硼纳米管内得到填充体，包括：将1－9重量份的纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体与1－9重量份的氮化硼纳米管混合得到混合物，将所述混合物在超声频率为20hz－200hz的条件下进行振动湿混得到填充体，经过超声混合，使得填充更均匀。
其中，纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体的粒径可以是2－500nm，氮化硼纳米管的内径可以是20－5000nm，均匀混合填充时，且保证纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体的粒径小于氮化硼管体的内径，以便纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体填充进入氮化硼纳米管内。
能够有更多的纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体填充进入氮化硼纳米管内，使最终得到的b－c－n固溶体外壳与纳米金刚石内核的连接更加紧密，使内核与外壳之间形成b－c－n固溶体，进一步增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。
结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，处理在真空度为(4－10)×10－3pa、温度为800－1400℃的条件下处理0.5－3h。
使纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体与氮化硼纳米管之间的处理效果更好，进一步提高连接的紧密型，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。
结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，预压成型在压强为1－30mpa的条件下预压1－20min得到坯件。
使预压成型的效果更好，进一步提高金刚石晶体与b－c－n固溶体之间的致密性，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。
结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，固溶强化是将坯件在温度为1000－3000℃，压强为5－30gpa的条件下烧结固溶强化10s－120min。
固溶强化的效果更好，进一步使纳米金刚石与b－c－n固溶体外壳的连接更加致密，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。
结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，高温高压烧结的装置为六面顶压机或者基于六面顶压机的任何变异体超高压装置。
结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，混合物在处理之前，于温度为50－200℃的条件下使用3－5重量份的理处剂进行表面处理。
能够去除纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体和氮化硼纳米管表面的杂质，避免杂质影响外壳b－c－n固溶体与内核纳米金刚石之间的连接，进一步使纳米金刚石与b－c－n固溶体的连接紧密性，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。
结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，理处剂选自氢氟酸、王水、盐酸、硫酸和硝酸中的任意一种。
使杂质(主要是一些吸附有机物)的去除效果更好，例如：对醇类物质的去除效果更好。
结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，湿混是用10－16重量份的酒精均匀湿混。
经过湿混，纳米金刚石粉体或含有部分纳米金刚石粉体的纳米碳粉体更加容易填充进入氮化硼纳米管内，使后续的制备效果更好，使最终得到的b－c－n固溶体外壳与纳米金刚石内核的连接更加紧密。
第三方面，本发明实施例提供了一种超硬刀具，超硬刀具的制作原料包括金刚石芯纳米聚晶材料。
将金刚石芯纳米聚晶材料首先加工成等高的圆柱体，两端抛光平整之后，加工成边长和厚度均为2－3mm的三角柱体，然后在真空度为(1－10)×10－3pa、温度为800－1000℃的条件下与金属合金基底焊接，然后用激光加工成半径为0.4－0.8mm的刀尖圆弧的金刚石芯纳米聚晶超硬刀具。
超硬刀具由金刚石芯纳米聚晶材料制成，在切割金属的时候，外壳b－c－n固溶体与金属接触，避免纳米金刚石石墨化，且强度较高，切割效果更好，在切割石材如花岗岩的时候，刀具的热稳定性和硬度提高，耐磨损性能增强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些技术示意图，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本发明的保护范围。
图1为本发明的金刚石芯纳米聚晶材料的技术示意剖面图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
金刚石芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：先将纳米金刚石粉体通过湿混在超声条件下填充进入氮化硼纳米管内得到填充体，后将填充体经强酸处理后在真空的条件下处理，再预压成型得到坯件；将坯件烧结固溶强化得到金刚石芯纳米聚晶材料。
实施例2
金刚石芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将1重量份的粒径为2－100nm的纳米碳粉体与9重量份的内径为20－1000nm的氮化硼纳米管湿混，在超声频率为20hz的条件下将纳米碳粉体填充进入氮化硼纳米管内得到填充体。
(2)、将填充体在真空度为4×10－3pa、温度为1400℃的条件下处理3h，再在压强为30mpa的条件下预压1min得到坯件。
(3)、将坯件在温度为2000℃，压强为20gpa的条件下烧结固溶强化10min得到金刚石芯纳米聚晶材料。
实施例3
金刚石芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将9重量份的粒径为100－500nm纳米金刚石粉体和纳米石墨烯粉体与1重量份的内径为1000－5000nm的氮化硼纳米管混合。
(2)、将上述原料在温度为50℃的条件下，加入3重量份的理处剂进行表面处理，溶解纳米金刚石粉体、纳米石墨烯粉体和氮化硼纳米管中的杂质后，用去离子水洗涤至中性后烘干，用10重量份的酒精均匀湿混，再用超声频率为200hz的超声波振动器震动下振动使纳米金刚石粉体和纳米石墨烯粉体填充进入氮化硼纳米管内得到填充体。
(3)、将填充体在真空度为10×10－3pa、温度为800℃的条件下处理0.5h，在不添加任何粘结剂的情况下，于室温、压强为1mpa的条件下预压20min成型得到坯件。
(4)、将预压成型的坯件装配烧结单元放入六面顶压机内，在温度为1900℃，压强为25gpa的条件下烧结固溶强化10s得到金刚石芯纳米聚晶材料。
实施例4
金刚石芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将5重量份的粒径为100－400nm的纳米金刚石粉体、纳米碳粉体与5重量份的内径为500－4000nm的氮化硼纳米管混合。
(2)、将上述原料在温度为200℃的条件下，加入5重量份的理处剂(例如为：氢氟酸或王水或盐酸或硫酸或硝酸)进行表面处理，溶解纳米金刚石粉体、纳米碳粉体和氮化硼纳米管中的杂质后，用去离子水洗涤至中性后烘干，用16重量份的酒精均匀湿混，再用超声频率为100hz的超声波振动器震动下振动使纳米金刚石粉体和纳米碳粉体填充进入氮化硼纳米管内得到填充体。
(3)、将填充体在真空度为6×10－3pa、温度为1000℃的条件下处理1h，在不添加任何粘结剂的情况下，于室温、压强为10mpa的条件下预压10min成型得到坯件。
(4)、将预压成型的坯件装配烧结单元放入六面顶压机内，在温度为2000℃，压强为10gpa的条件下烧结固溶强化30min得到金刚石芯纳米聚晶材料。
实施例5
金刚石芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)、将4重量份的粒径为20－200nm的纳米金刚石粉体与6重量份的内径为400－1000nm的氮化硼纳米管混合。
(2)、将上述原料在温度为100℃的条件下，加入4重量份的氢氟酸进行表面处理，溶解纳米金刚石粉体和氮化硼纳米管中的杂质后，用去离子水洗涤至中性后烘干，用12重量份的酒精均匀湿混，再用超声频率为100hz的超声波振动器震动下振动使纳米金刚石粉体填充进入氮化硼纳米管内得到填充体。
(3)、将填充体在真空度为6×10－3pa、温度为1000℃的条件下处理1h，在不添加任何粘结剂的情况下，于室温、压强为10mpa的条件下预压10min成型得到坯件。
(4)、将预压成型的坯件装配烧结单元放入六面顶压机内，在温度为2000℃，压强为17gpa的条件下烧结固溶强化50min得到金刚石芯纳米聚晶材料。
实验例1
实施例5得到金刚石芯纳米聚晶材料的技术示意剖面图如图1。从图1可以看出，金刚石芯纳米聚晶材料为核壳结构，其中，芯，也就是内核为金刚石内核，外壳为b－n－c固溶体，其中，黑色球体为c原子，浅灰色球体为b原子，深灰色球体为n原子，b－n－c固溶体与内核的纳米金刚石的连接更加稳定，晶界严密闭合，使硼原子、碳原子和氮原子之间形成高原子密度结构、三维网状、强共价键的致密结构，增强了金刚石芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。