作为一种新型绿色环保的碱激发胶凝材料,地聚物是当下最热门的研究方向之一。地聚物以活性硅铝酸盐为原料,在较低温度下,通过碱激发剂溶解出活性硅铝酸盐中的硅氧四面体和铝氧四面体,硅氧四面体和铝氧四面体通过缩聚反应形成聚合凝胶,通过脱水和干燥最终形成地聚物。本文研究了地聚物、地聚物-金刚石复合材料及其纤维增韧材料的制备、性能与反应机制;特别针对金刚石工具传统生产过程中需要高温烧结的局限性,利用地聚技术可以在非烧结情况下固化金刚石,有望为金刚石工具的制备提供更加环保和简捷的途径。在本研究中,首先以偏高岭石为主要固体原料,制备了不同碱激发剂模数的地聚物,通过时间与地聚合反应程度之间的关系,利用JMAK模型,得到了地聚合反应的Avrami指数(n)和生长速率(k)。研究发现,偏高岭石基地聚合反应可描述为一维扩散控制的反应,地聚合反应遵循板层状的增长机理;当碱激发剂模数为1.30时地聚合反应的反应程度达到最大值65.1%。同时,表征了不同碱激发剂模数地聚物的性能,研究发现碱激发剂模数为1.30时地聚物28d的抗压强度达到最大值33.5MPa;地聚物的凝胶主要以PS([-Si-O-Al-O-]_n)和PSS([-Si-O-Al-O-Si-O-]_n)类型存在,且制备的地聚物中石英相会部分溶解在碱激发剂中,同时地聚物中会生成沸石相。因此,确定碱激发剂模数为1.30时地聚物的综合性能最佳。当固定碱激发剂模数为1.30,研究金刚石含量对地聚物-金刚石复合材料的影响发现,当金刚石与固体原料的质量比为0.43时,制备的地聚物-金刚石复合材料28d的抗压强度为31.8MPa,此时金刚石占复合材料的体积比为0.13。同时,金刚石与固体原料的质量比为0.43时,地聚物-金刚石复合材料中凝胶相对金刚石的包裹性能最佳,此时复合材料中沸石相的含量最高,能够为金刚石工具提供所需要的孔隙结构;地聚物-金刚石复合材料的28d吸水率范围为22.4%-25.4%,说明不同金刚石含量的地聚物-金刚石复合材料都具有丰富的孔道结构。将不同金刚石含量的地聚物-金刚石复合材料进行烧结后发现,复合材料中的各种物相在500℃以下具有优良的物相稳定性;此外,地聚物-金刚石复合材料具有优良的体积稳定性,最大尺寸变化率为1.5%;通过研究地聚物-金刚石复合材料的烧结机理发现,500℃的烧结只是引起地聚物中自由水和结构水的脱水反应;与此同时,地聚物在烧结过程中由于脱水反应引起孔隙结构扩大和裂纹的扩展,因此烧结后不同金刚石含量的地聚物-金刚石复合材料强度下降。通过在地聚物-金刚石复合材料中掺入纤维进行了复合材料的增韧研究,研究发现,加入纤维后复合材料的抗折强度均有一定程度的提高;与引入硅灰石纤维相比,玻璃纤维对地聚物-金刚石复合材料的抗折强度提升更明显。硅灰石含量为5.0%时复合材料样品的28d抗折强度为11.2MPa;当玻璃纤维含量为7.5%时复合材料样品的28d抗折强度为17.9MPa,明显优于硅灰石的增韧效果;在纤维增韧的地聚物-金刚石复合材料中,发现玻璃纤维部分溶解在碱激发剂中,而硅灰石的纤维结构完整。此外,利用Griffith断裂理论研究了地聚物-金刚石复合材料的纤维增韧机理,发现纤维的加入提高了地聚物的表面能,最终提高了复合材料的抗折强度。