[发明专利]纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明提供一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其制备步骤包括：将纳米碳材料与超硬材料微粉混合制得复合粉体，然后对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理，制得纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。该材料具有高抗冲击韧性、高热稳定性，可应用于超硬切削和磨削工具中。

技术领域

本发明涉及超硬材料领域，具体的说，涉及了一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法及应用。

背景技术

聚晶材料中的立方氮化硼、金刚石等材料因其耐热性能好、化学惰性强且具有较高的硬度、较好的导热率，被广泛用于刀具行业。随着材料科学的进步，对刀具材料的硬度、耐磨性、韧性和强度的要求提出了更高的要求，理想的刀具材料应既具有极高的硬度、耐磨性，有利于提高切削效率，有利于延长刀具耐用度，同时又要具有好的抗冲击韧性，使得其能够承受大的切削力。同时，在利用聚晶材料和硬质合金基体在高温高压烧结制备产品时，聚晶材料经历了聚晶材料破碎和再结晶长大、钴等在聚晶材料层中的扩散熔渗迁移等过程，处于聚晶材料间隙处的粘接剂的脆性和热胀冷缩及其氧化是聚晶材料制品冲击破坏的源头和热稳定性下降的主要因素。

而纳米碳材料中的多壁碳纳米管通常直径在0.3 nm到几十纳米之间，长度可达几十微米，是两端封闭的富勒烯管，具有非常优异的力学性能和物理特性：弹性应变可达12%，弹性模量超过1.8×10⁶ MPa，弯曲强度为1.42×10⁷ MPa，长度超过10 nm时导热系数依然可以达到2800 w/m·K，同时多壁碳纳米管在高温高压下很难转变成金刚石，其管状结构在压力5 GPa～6 GPa、温度1450℃仍然能够保留下来。因此中国专利CN102268619B公开了一种多壁碳纳米管增强金刚石复合片材料的制备方法，该方法采用半湿混使多壁碳纳米管与金刚石微粉以及粘接剂等弥散地均匀地混合在一起成为聚晶金刚石层的原材料，将它与硬质合金基体通过高温高压烧结工艺和适当的热处理工艺制造成为多壁碳纳米管增强的PDC，制得的产品相对于未增强处理的聚晶材料制品在抗冲击韧性和耐磨性上有所提高，但上述方法依然采用含有金属或金属氧化物的粘结剂进行合成，产品依然存在因热稳定性问题出现的微裂纹或脱层现象，同时该方法对合成工艺要求较为严格，限制了大批量生产。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种纳米碳材料增强超硬材料基复合材料的制备方法，其制备步骤包括：将纳米碳材料与超硬材料微粉混合制得复合粉体，然后对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理，制得纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。

基于上述，所述超硬材料微粉为纳米金刚石或纳米立方氮化硼，且粒度为8 nm～60 nm。

基于上述，对所述复合粉体进行放电等离子体烧结处理的步骤包括：将所述复合粉体置于石墨模具中，以80℃/min～100℃/min的升温速率在1150℃～1350℃的烧结温度和30MPa～100MPa的烧结压力下进行放电等离子烧结5 min～30 min，自然冷却从而制得所述纳米碳材料增强超硬材料基复合材料。

基于上述，制得所述复合粉体的步骤包括：在超声波的作用下，先将所述纳米碳材料分散到分散溶液中，得到前躯体溶液；然后在超声波和机械搅拌的共同作用下，再将所述超硬材料微粉分散在所述前躯体溶液中制得纳米粉体混合液；最后将所述纳米粉体混合液干燥处理制得所述复合粉体；其中，所述分散溶液为无水乙醇或去离子水。

基于上述，当所述纳米碳材料为多壁碳纳米管时，制得所述复合粉体的步骤还包括：对所述纳米粉体混合液先进行球磨混合8 h～10 h，再进行真空干燥处理，从而得到所述复合粉体，其中在所述复合粉体中所述多壁碳纳米管的质量分数大于0%小于等于5%。