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國內外超硬材料的發展

發布時間:2016-10-09    來源:德商五金    點擊:

硬度明顯高于硬質材料的一類材料稱為超硬材料。目前超硬材料主要是指金剛石和立方氮化硼。硬質材料與超硬材料在硬度上的差別如表1所示。
1、超硬材料品種的發展
1.1天然金剛石
天然金剛石是在地殼深處結晶形成的存在于地表下深度為100—300km的金伯利巖中。最適宜的結晶條件是壓力57GPa溫度1200—1800℃。
天然金剛石分為寶石級鉆石和工業級。寶石級按照4C指標劃分優劣等級。4C指標:Carat(克拉 克拉數表示顆粒大小);Colour(色澤);Cutting(切磨形狀及完整性);Clarity(純凈度即清澈透明程度表示內部瑕疵包裹體及裂隙等缺陷。)工業級天金剛石稱為工業碎鉆是達不到寶石級指標的工業用途產品。天然金剛石原生礦主要分布在南非扎伊爾等國印度和我國有少量砂礦。歷史上最大一顆原石重達3106克拉尺寸為100mm×65mm×50mm于1905年發現于南非。我國在1977年12月21日在山東臨沭縣常林村發現了一顆巨鉆重158.9克拉淡黃色光彩奪目被視為國寶命名為常林鉆石。

1.2人造金剛石

工業生產金剛石的主要方法是利用石墨為原料鎳鈷等觸媒金屬為催化劑在大約5GPa和1700K的高溫高壓條件下將石墨轉化生成金鋼石。

人造金剛石產品可按照晶形顏色粒度沖擊強度高溫強度等多項指標進行分級。晶形完整色淺透明粒徑較大強度較高者稱為高品級產品。

1.3碳-60

需要特別提出的是近年來出現的一種新材料碳-60。其結構形狀是空心籠類似于足球故又名為巴基球。它的硬度可以與世界上最硬的材料金剛石相媲美。它是一種特殊結構的石墨烯。其不同節點上的碳原子可以被其他多種不同原子所置換從而生成多種多樣的性能迥異的新材料因此碳-60被稱為21世紀的科學圣誕樹。

1.4立方氮化硼

立方氮化硼只有人造的沒有天然的它在自然界是不存在的。

立方氮化硼是在人工合成金剛石成功之后科學家發揮聯想采用類似于合成金剛石的原料設備和技術創造出來的一種新材料其硬度僅次于金剛石是有別于金剛石的又一類超硬材料。它的問世完全是人類智慧的結晶是科學技術發展的成果。


2、金剛石產品的發展

2.1人造金剛石單晶

(1)Debeers公司現更名為E.S公司產品
Debeers公司是世界上最大的金剛石壟斷企業控制天然金剛石的85%。其人造金剛石 部分從Debeers公司分離出來更名為元素六公司現在是國外最著名的人造金剛石公司產品系列最為齊全。
高強度金剛石SDA\ADV\DSN系列:
SDA系列(SDAD、SDA+)為該公司久負盛名的傳統高品級產品;
SDB1000系列(DB1025—SD B1125)為粉狀觸媒生產的高檔新產品;
DSN系列(DSN41—DSN47)為新購德國溫特技術生產的高檔新產品。
中強度金剛石:MDA系列。
特殊產品系列:
CDA(PDA321)低強度自銳性金剛石。我國開發出了類似的CSD產品。
MONOCRYSTAL,大單晶金剛石扁平形狀直徑達10mm。
需要說明的是新的系列編號統一為PDA系列PDA999-PDA321中共12個牌號是按照強度指標從高到低的順序排列的。其中PDA321對應的原牌號為CDA。
(2)美國G.E(公司現更名為D.I公司)產品
GE公司的超硬材料分部后改名為Diamondin—novations公司。它是與元素六公司并列的世界著名金剛石公司也有類似的各系列金剛石產品。
高強度產品:MBS700系MBS900系列;
中強度產品MBG系列(MBG300MBG600-660);

強度產品:RVG系列。

2.2人造金剛石聚晶和金剛石薄膜

鉆頭聚晶:圓柱形、三角形,復合片;
刀具聚晶:復合片,帶硬質合金襯底;
CVD金剛石薄膜(被稱為21世紀的新材料):工具薄膜,用作刀具、耐磨部件;功能薄膜,用作聲、光、電、熱等各種功能元件。

還有拉絲模聚晶等。


3、合成金剛石專用超高壓高溫設備

壓機大型化:壓機噸位逐步擴大,500t→5000t→10000t。
控制方式改進:沿著人工→自動化→智能化→網絡化的方向發展。
國內外金剛石工業用壓機主要有以下3種:
六面頂壓機:高壓腔直徑,10mm→30mm→70mm;
年輪式兩面頂:高壓腔直徑,18mm→50mm→100mm;

凹模式兩面頂:高壓腔直徑,12mm→30mm→60mm。


4、超硬材料制造和檢測技術的進展

選擇最有代表性的制造技術和檢測技術其進展情況紹如下。

4.1超硬材料制造技術的進展

4.1.1原輔材料的改進

石墨原料與合金觸媒的改進傳統原料為片狀疊裝石墨片與觸媒片間隔疊加成圓柱狀新型原料為粉狀混裝粉末觸媒與高純石墨二者混合均勻壓制成型為圓柱狀。同時粉末觸媒與石墨的純度大大提高雜質含量由原先的100PPM減少到不足50PPM。傳壓密封介質的改進原先為單一介質現在采用復合介質介質材料由葉蠟石改進為葉蠟石+白云石+其他添加劑。同時采用內外不同材質例如以下多層結構:導熱絕緣體(內)—發熱體(中)-復合傳壓密封隔熱絕緣介質(外)。

4.1.2組裝結構的改變

先前為直接加熱式組裝結構,內部是原料柱原料本身通電發熱外部是絕緣隔熱的介質溫度分布是內高外低與壓力分布的高低恰恰相反不符合生長優質金剛石條件。現在采用間接加熱式組裝結構, 內部原料柱本身不通電發熱外圍的發熱體發熱。熱量由外向內傳導與壓力傳遞的方向一致亦即溫度梯度與壓力梯度的方向一致從而保障了壓力場與溫度場分布互相匹配有利于滿足優質金剛石生長條件。

4.1.3壓力溫度動態匹配新工藝

傳統的外加壓力和加熱功率固定不變的靜態生長工藝不適合大腔體生長高品級金剛石。采用自行開發的壓力與溫度雙參數動態匹配新工藝使得2個參數維持在理想的生長區間并且可以沿著金剛石等質量線方向在限定的范圍內移動實現動態匹配金剛石得以長時間穩定地連續生長從而生產出高品級產品。

4.2 檢測技術的進步

檢測項目在原有項目基礎上又新增加了多個檢測項目。檢測儀器除了與各個檢測項目相適應的專門監測儀器之外還開發出了FACT檢測系統DiaInspect。OSM圖像分析系統M3001激光粒度分析儀等設備。


5、結語

超硬材料及制品領域的科技進步和工業發展經過了半個多世紀的歷程。我國經歷了從無到有從小到大兩個階段現在進入了從弱變強的第三個發展階段。我國超硬材料金剛石和立方氮化硼年產量居世界第一約占全世界的34。其中單晶產量占90% 而高端的刀具用復合聚晶產品差距明顯是需要努力攻關的課題之一。

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