[发明专利]一种纳米孪晶金刚石磨粒及其制备方法和应用

说明书

本发明提出了一种纳米孪晶金刚石磨粒及其制备方法和应用，用以解决目前传统金刚石砂轮磨削中存在的保形性差和纳米孪晶金刚石难以破碎的技术问题。制备方法包括以下步骤：采用机械撞击破碎法将纳米孪晶金刚石合成柱分成若干块无规则形状碎料；将纳米孪晶金刚石碎料放入设计的三维压制模具内，进行重复的三维压制自破碎；至纳米孪晶金刚石磨粒尺寸达到要求，随后对纳米孪晶金刚石磨粒分级，得到尺寸复合要求的纳米孪晶金刚石磨粒。本发明还公布了一种纳米孪晶金刚石磨粒及在砂轮中的应用。本发明所制备纳米孪晶金刚石颗粒尖角多，锋利且耐磨，制备成的砂轮耐磨性强、保形性好，加工的复杂形面工件一致性好。

技术领域

本发明属于超硬材料及制品的技术领域，尤其涉及一种纳米孪晶金刚石磨粒及其制备方法和应用。

背景技术

面向光纤通信、光电信息、汽车、精密机床、航空航天等军民用高技术领域对先进功能性器件的重大战略需求，表面具有微小密集拓扑阵列或复杂多变形面以实现力、热、光、电等特定功能的微结构和复杂形面器件成为了制约全局的关键之一，如光芯片用高精度光纤阵列、导光板用微棱镜阵列、激光雷达用无限共轭微透镜阵列，红外导弹导引头的焦平面阵列镜组、军用无人机舵机的高密矩伺服传动元件以及航空发动机叶片榫头等。高端金刚石仿形砂轮是实现高性能功能微结构和复杂形面器件制造的决定性因素，其形状、精度和性能对功能微结构器件的加工质量、生产效率、成品率及其使役性能均具有重要影响。

高性能功能微结构和复杂形面器件材质一般为高硬度难加工材料（硬度为碳化硅，蓝宝石等，硬度仅次于金刚石），同时其几何构轮廓面形精度和一致性高，要求金刚石仿形砂轮具有较高的保形性。金刚石作为自然界中硬度最高的材料，其维氏刻压强度最高可达到100GPa。传统金刚石微粉利用低强度的金刚石母料采取撞击破碎工艺制造，微粉缺陷多，强度低，面向高硬度材料磨削加工时极易磨损，金刚石仿形砂轮难以保形，造成高硬度功能微结构和复杂形面器件不同槽及不同产品之间的几何轮廓一致性极差，进而造成产品报废和服役缺陷。

超高硬度的纳米孪晶金刚石（NPD），维氏硬度＞100GPa，目前最高硬度可达220Gpa，远大于单晶金刚石硬度，当前多制备成刀具。也正是由于纳米孪晶金刚石硬度极高，导致难以破碎成能够应用于砂轮中的金刚石磨粒。

发明内容

针对目前传统金刚石砂轮磨削中存在的强度低、保形性差；以及纳米孪晶金刚石难以破碎，导致无法应用于砂轮中的技术问题，本发明提出一种纳米孪晶金刚石磨粒及其制备方法和应用，实现了纳米孪晶金刚石磨粒制备方法简单、磨粒粒度可控、成本低和纳米孪晶金刚石砂轮的高保形等优点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种纳米孪晶金刚石磨粒的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用机械撞击破碎法将检测合格并清洗后的纳米孪晶金刚石合成柱分成若干块无规则形状碎料，碎料中含有棱角和凸起，便于三维压制自破碎的进行；

（2）将多块纳米孪晶金刚石碎料放在三维压制模具内，进行三维压制自破碎；

（3）重复步骤（2）中三维压制自破碎的过程，直至纳米孪晶金刚石磨粒中磨粒尺寸半数以上达到要求；

（4）将步骤（3）中得到的纳米孪晶金刚石磨粒放入气体离心分级设备内，对纳米孪晶金刚石磨粒粒径精确分级，制得磨粒尺寸符合要求的纳米孪晶金刚石磨粒。

所述步骤（1）中的清洗为超声清洗，除去纳米孪晶金刚石合成柱表面的杂质，避免后期对金刚石磨粒的污染。

所述步骤（1）中的检测包括硬度（＞100GPa）、密度（＞3.50g/cm³）和韧性检测（＞5MPa.M^0.5），确保纳米孪晶金刚石合成柱硬度和韧性大于目前普通单晶金刚石硬度和韧性，密度和普通金刚石接近。

所述步骤（2）中三维压制自破碎采用的方式为六面顶高压、两面顶高压、气体等静压、液体等静压和高压液压其中任意一种。