[发明专利]一种立方氮化硼-纳米聚晶金刚石复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种立方氮化硼‑纳米聚晶金刚石复合材料及其制备方法，其原料包括碳纳米葱(OLC)和立方氮化硼(cBN)，其中所述cBN的质量百分比为15～50wt.％，余量为OLC。制备时，将OLC和cBN两种原料按照不同质量比进行混料；将混料后的cBN和OLC混合物进行预压。然后，将预压后的样品进行高温高压烧结。烧结压力为8～25GPa，烧结温度为1600～2200℃，保温时间为5～60min，随后降温卸压，制得立方氮化硼‑纳米聚晶金刚石复合材料。本发明利用cBN与金刚石结构的相似性和对应性，降低了烧结条件，解决了采用OLC为原料制备聚晶金刚石烧结体的烧结条件高的问题，获得了高硬度的立方氮化硼‑纳米聚晶金刚石复合材料。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种立方氮化硼-纳米聚晶金刚石复合材料及其制备方法。

背景技术

聚晶金刚石(PCD)具有很高的硬度和耐磨性，它克服了单晶金刚石各向异性和{111}晶面解离破坏的缺点，被广泛的应用在航空航天、电子、建筑、宝石加工、石油钻井和地质勘探等众多领域。聚晶立方氮化硼(PCBN)的硬度仅次于金刚石，聚晶的晶粒呈无序排列，各向同性，不存在解理面，具有较高的硬度、耐磨性和抗冲击性，良好的热稳定性、化学稳定性和导热性，摩擦系数较低，广泛应用于工业切削、新型刀具材料、耐磨铸铁类加工等领域。

王明智等采用纳米圆葱头-碳为原料，利用六面顶压机在2～6GPa/1000～1600℃/保温1～6min合成了聚晶金刚石，其块体致密，维氏硬度达到了HV45～61GPa，烧结体的晶粒度小于20nm，克服了现有工艺合成的PCD中弱相降低PCD性能的缺陷，并在较低的烧结条件下合成了高硬度的PCD[王明智,邹芹,赵玉成.纳米圆葱头-碳高温高压制备聚晶金刚石烧结体的方法：CN101723358A.燕山大学大学,2010年6月9日公开]。王明智等采用OLC与微米金刚石，利用六面顶压机在在4～6.5GPa/1000～1600℃/保温1～15min合成了聚晶金刚石，获得的聚晶金刚石烧结体表面光润、块体致密，维氏硬度达到HV41-70GPa[王明智,邹芹,赵玉成,等.纳米圆葱头-碳+微米金刚石制备聚晶金刚石的方法：CN103274398A.燕山大学，2013年9月4日公开]。田永君等发明了一种超高硬度纳米孪晶金刚石块体材料及其制备方法，采用高密度缺陷的OLC在18-25GPa/1850-2000℃条件下合成了纳米孪晶金刚石，纳米孪晶金刚石中具有的独特的孪晶结构，维氏硬度为155-350GPa；努氏硬度为140～240GPa；孪晶宽度为1～15nm，其硬度远高于金刚石单晶体和超硬多晶金刚石的硬度[田永君,黄权,于栋利.超高硬度纳米孪晶金刚石块体材料及其制备方法：CN104209062A.燕山大学,2014年12月17日公开]。唐虎等在10-25GPa/1800℃条件下研究了OLC的相变行为。结果证实了OLC向金刚石的转变和石墨向金刚石的转变类似，是一个马氏体相变过程。相变的发生导致了OLC(002)面的相互滑动。然而，封闭连续的碳壳层限制了(002)面的滑动，从而导致了应力的产生，孪晶金刚石的形成则是累计应力释放的结果[唐虎.纳米聚晶金刚石合成和碳纳米葱高温高压相变机理的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2018]。

现有技术制备的聚晶金刚石大多性能较低，性能较高的聚晶金刚石其制备条件较高，且存在碳纳米葱转化不完全的问题。本发明制备同等性能的聚晶金刚石所需的条件较低，并且很好地解决了碳纳米葱转化不完全的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种立方氮化硼-纳米聚晶金刚石复合材料及其制备方法。本发明以退火法制备的碳纳米葱(OLC)与立方氮化硼(cBN)的混合物为原料，采用高温高压(8～25GPa/1600～2200℃/保温时间5～60min)烧结制备立方氮化硼-纳米聚晶金刚石复合材料，利用cBN与金刚石结构的相似性和对应性，一定条件下双方表面的原子能相互键合来降低烧结条件，获得了一种高硬度的立方氮化硼-纳米聚晶金刚石复合材料。

本发明采用的技术手段如下：