论文部分内容阅读
目前聚晶金刚石(PCD)的烧结都需加入添加剂。添加剂一方面会在PCD中残留,另一方面会形成碳化物。它们的物理机械性能比金刚石的低,导致了PCD中弱相的存在。无添加剂PCD的烧结是解决上述问题的根本途径。纳米金刚石和碳纳米葱(OLC)出现使这一研究成为可能。这些碳纳米颗粒的制备、结构与性能决定了PCD的烧结过程和性能。因此,本课题主要围绕以下几个方面展开了研究。纳米金刚石的结构与性能表征。用X射线衍射(XRD)、能谱(EDS)、透射电镜(TEM)、红外/拉曼光谱(FTIR/Raman)、综合热分析(DSC/DTA)等分析了纳米金刚石的微观结构、物性及表面状态等。研究表明,纳米金刚石为立方结构。颗粒形状为球形或椭球形,平均颗粒尺寸约为5 nm。纳米金刚石在空气中的起始氧化温度约为520℃。在Ar和真空中的石墨化温度分别为1305℃和1146℃。纳米金刚石的表面主要吸附有-OH、-CH3、-CH2、CO2、-C=O、-COOH、氨基等官能团。纳米金刚石后处理以去除其表面官能团。用高锰酸钾溶液、在空气、真空、氢气和惰性气体中对纳米金刚石进行处理。结果表明,在氢气中处理,较好地去除了纳米金刚石的表面官能团,并解决了二次吸附的问题。而其它的处理方法则各自存在着不足。碳纳米葱的制备及结构与性能表征。在500~1400℃及1 Pa真空中退火处理纳米金刚石制备了OLC。结果表明,退火温度低于900℃时,没有OLC合成;在900℃时OLC开始出现,且其平均颗粒尺寸小于5 nm;退火温度从1000℃增加到1100℃时,有尺寸大于5 nm的OLC颗粒合成,且有未转化的纳米金刚石存在于OLC颗粒中心;1400℃时所有的纳米金刚石颗粒均已转化为OLC。OLC的颗粒形状及其平均颗粒尺寸与纳米金刚石的相似。OLC的石墨层数从几层到12层不等。纳米金刚石转化为OLC的过程主要包括以下几个阶段:石墨片的形成、纳米金刚石颗粒边缘(111)晶面石墨层连接及弯曲、石墨层封闭、完整OLC颗粒的形成。碳纳米颗粒与碳纳米棒的制备及结构和性能表征。用在扫描电镜(SEM)中产生的大气压CH4微等离子体放电制备了碳纳米颗粒/棒。沉积时间少于2 s时,在沉积区有碳纳米颗粒生成。随沉积时间延长,碳纳米颗粒逐渐生长为碳纳米棒。沉积5 s时,碳纳米棒的直径和长度分别达到20 nm和800 nm。沉积超过6 s时,沉积区熔化,但仍有碳纳米棒生成。沉积超过9 s时,在熔化沉积区附近有熔化碳纳米棒生成。沉积超过10 s时,已无碳纳米材料生成。间距10μm及CH4气压100 kPa沉积5 s是最佳工艺条件。碳纳米颗粒为中空OLC结构,碳纳米棒为典型纳米棒结构。聚晶烧结体的制备及结构与性能表征。用纳米金刚石及OLC在高温高压下烧结制备聚晶烧结体。结果表明,纳米金刚石在1200℃及5.5 GPa烧结500 s后发生了石墨化。Si的添加防止了纳米金刚石石墨化。而把OLC在此条件下无添加剂烧结之后有PCD生成。在聚晶立方氮化硼(PcBN)结合剂体系中添加纳米金刚石,提高了PcBN的致密度和显微硬度。