纳米多晶金刚石微结构及塑性形变机制的研究进展

纳米多晶金刚石是指晶粒尺寸小于100 nm的金刚石晶粒直接结合而形成的多晶材料。石墨经高温高压直接转变合成的纳米多晶金刚石的硬度达120~145 GPa,洋葱碳直接转变合成的金刚石晶粒内含高密度孪晶,此纳米孪晶金刚石硬度达200 GPa,远超单晶金刚石的硬度。材料优良的性能源于其微观结构,揭示其塑性形变机制将利于更高性能纳米超硬材料的设计与合成。本文概述了纳米多晶金刚石微观结构及其塑性形变机制的国内外研究现状,重点介绍和评价了纳米多晶金刚石塑性形变机制的实验及理论研究,为纳米多晶金刚石材料的进一步研究和应用提供参考。      

以环戊二烯为碳源制备类富勒烯结构碳基薄膜的结构及力学性能

以环戊二烯为碳源,采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）在Si单晶〈n100〉面上制备了类金刚石薄膜。采用FEI Tecnai F30型高分辨透射电镜（HRTEM）和LAMRAM HR 800型拉曼光谱仪对薄膜及磨屑的结构进行表征;利用MFTR4000摩擦磨损试验机、Hysitron Ti950型原位纳米力学测试系统考察薄膜的摩擦学及力学性能。结果表明： 所制备的金刚石薄膜具有富勒烯纳米团簇/非晶复合纳米结构,在磨屑中也出现了这种稳定的片层结构从而起到了良好的减摩作用;并且薄膜表现出优异的力学性能和摩擦学性能： 其硬度为26.8 GPa、弹性回复为85%、摩擦因数为0.01。由于这种特殊纳米结构的存在,使得薄膜的力学性能及摩擦学性能显著提高。     

金属粉末增强机械抛光单晶金刚石

目的 研究具有催化活性的镍、钴金属粉末对单晶金刚石机械抛光的影响,以期获得低成本高效率的单晶金刚石抛光工艺。方法 以高温高压法（HPHT）制备的Ⅱa型单晶金刚石为样品,采用机械抛光的方法沿单晶金刚石（100）晶面的[100]晶向进行抛光,抛光介质分别为金刚石研磨膏、金刚石微粉、金刚石微粉与镍粉混合粉末、金刚石微粉与钴粉混合粉末。样品表面粗糙度通过原子力显微镜（AFM）进行测定,通过扫描电镜（SEM）及能谱仪（EDS）对样品表面形貌及元素成分进行分析表征。结果 金刚石微粉作研磨粉时,抛光速率最高,达到900 μm/h,但表面粗糙度相对较差,为4.15 nm;镍粉或钴粉与金刚石微粉的混合粉末作抛光介质时,可以实现单晶金刚石的高效抛光,其中以钴粉与金刚石微粉的混合粉末作为抛光介质时的抛光效果最佳,抛光速率为875 μm/h时,表面粗糙度为1.52 nm。结论 镍、钴金属粉末与金刚石微粉混合作为抛光粉料,可以实现单晶金刚石的高效率、高质量抛光。     

MPCVD多晶金刚石薄膜的生长特性研究

本文用微波等离子化学气相沉积系统（MPCVD）在单晶硅衬底上制备多晶金刚石薄膜,反应气体为CH4和H2。利用扫描电镜（SEM）和Raman光谱研究了CH4流量和反应时间对多晶金刚石薄膜形貌和碳结构的影响。结果表明：随着CH4流量的增加,金刚石的成核密度增加,并出现二次形核,金刚石颗粒从单晶逐渐转变为多晶结构。多晶金刚石薄膜的生长过程为：生长初期在单晶硅衬底上形成非晶碳层,金刚石在非晶碳层上成核长大,并伴随着二次成核,最终形成多晶金刚石膜。     

单晶金刚石制备研究进展

相对于多晶金刚石,单晶金刚石具有质量好和纯度高等优点,并且不存在多晶金刚石中的不规则晶界,因此在半导体和机械等行业具有广泛的应用。本文简要介绍了单晶金刚石的制备方法和主要应用领域,并对国内外采用高温高压法和化学气相沉积法制备单晶金刚石的研究成果和最新研究进展进行了综合评述。与高温高压法相比,化学气相沉积法可以高速合成大面积、高质量的单晶金刚石,因此是人工合成单晶金刚石的研究热点。单晶金刚石主要用作切削刀具、光学材料、半导体及电子器件和首饰等。随着大单晶金刚石合成技术的进一步发展,金刚石的应用范围和市场将会更加宽广。     

纳米多晶金刚石的制备合成研究

本文采用纳米金刚石粉作为原料,铁基(或镍基)金属粉做烧结助剂,利用超高压六面顶压机,在高温高压条件下进行了纳米多晶金刚石的制备实验。研究了铁基(或镍基)金属粉与纳米金刚石粉体系再生长烧结的温度压力条件,并通过SEM、XRD等测试手段对多晶金刚石样品进行了微观形貌和内部成分分析。研究结果表明:合成的多晶尺寸不仅与触媒的种类有关,而且与触媒的粒度粗细也有关系;在6 GPa、1100℃、合成时间60 s的条件下,制备的纳米多晶金刚石材料比较均匀致密,金刚石之间以D-D键结合为主。     

纳米金刚石聚晶的合成与性能综述

传统多晶金刚石聚晶（polycrystalline diamond，PCD）已在机械加工和矿物勘探等领域广泛应用，但其所使用的结合剂或烧结助剂严重弱化PCD性能，限制其应用。新型无黏结剂纳米金刚石聚晶（nano-polycrystalline diamond，NPD）具有细小的晶粒尺寸和高强度的金刚石晶粒界面，其性能已全面超越传统的PCD和金刚石单晶，在硬质材料高精加工等领域有巨大的优势和广阔的前景。本文概述NPD的合成和性能，并介绍使用不同的碳前驱物在高温高压下制备NPD的方法和技术，其中重点介绍石墨和碳纳米葱（carbon onions）在高温高压下直接转变成NPD的技术，为进一步研究及应用提供参考。      

超硬高韧微米颗粒聚晶金刚石块材的超高压制备

以微米级金刚石微粉为初始材料,利用自主研发的二级6-8型超高压大腔体装置,不添加黏结剂,在15 GPa左右条件下制备了超硬、高韧的厘米级块体聚晶金刚石,聚晶块体由高压硬化所致的、具有纳米亚结构的微米级金刚石颗粒组成。该材料的维氏硬度与单晶金刚石的最高维氏硬度（~120 GPa）相当,断裂韧性（18.7 MPa·m1/2）可媲美高性能硬质合金。      

纳米金刚石磨粒表面修饰及其摩擦特性研究

通过纳米金刚石磨粒与三氯氧磷的酯化反应,合成了纳米金刚石磨粒磷酸酯衍生物。采用傅立叶转换红外线光谱仪（FTIR）、飞行时间二次离子质谱仪（TOF—SIMS）对该改性物进行了结构表征。利用四球摩擦磨损试验机研究了化学修饰后纳米金刚石磨粒在水基基础液的摩擦学行为,发现基础液中纳米金刚石磨粒磷酸酯衍生物浓度为0．05％～0．075％时,能够使水基基础液的承载能力提高10％,磨斑直径降低2．6％。经过三氯氧磷酯化反应后的纳米金刚石磨粒具有更好的摩擦性能。     

不同金属触媒对金刚石中氮含量的影响

利用高温高压静压触媒法合成金刚石单晶过程中,如果不采取特殊除氮措施,晶体中的氮杂质含量会因为触媒不同而不同,晶体颜色表现出深度不同的黄色。本研究就不同触媒利用温度梯度法合成的宝石级金刚石单晶中的杂质氮进行了显微红外测试,并且发现当触媒中微量与氮有关的添加剂存在时,晶体中氮含量会发生明显变化。例如,使用N i基N iMnCo触媒得到的宝石级金刚石单晶含氮量大约在400×10-6;而采用Fe基FeN iCo触媒得到的晶体含氮量约在150×10-6。然而当触媒中存在微量(1wt‰)NaN3时,无论Fe基还是N i基触媒,晶体中的含氮量均提高到700×10-6左右,这说明触媒中存在微量添加剂时可能会明显影响到触媒和晶体的性质。     

有序排布和烧焊一体化制造金刚石工具新技术研究

本文主要介绍了两种制造金刚石工具的新技术：有序排布和烧焊一体化。有序排布技术是利用现代加工制造方法使得金刚石在其工具的表面排布达到规则化、序列化,从而减少重复磨损,延长工具的使用寿命以及提高加工对象光洁度的效果。现阶段,有序排布技术主要适用于小颗粒或微粉级的复制技术和大粒径金刚石的陶瓷孔模板技术。烧焊一体化技术则是采用直接加热均匀混合金刚石的烧结料粉到熔融状态,并在液态下直接焊接到钢基体上,从而避免了传统烧结金刚石工具的制造从混料、制模、冷／热压以及最后的完成工序等烦琐步骤,实现了烧结金刚石工具制造的“自动化”。     

Softening of ultra-nanocrystalline diamond at low grain sizes

Ultra-nanocrystalline diamond is a polycrystalline material with crystalline diamond grains in the nanometer size regime. We study the structure and mechanical properties of this material as a function of the average grain size, employing atomistic simulations. From the calculated elastic constants and the estimated hardness, we observe softening of the material as the size of its grains decreases. We attribute the observed softening to the enhanced fraction of interfacial atoms as the average grain size becomes smaller. We provide a fitting formula for the scaling of the cohesive energy and bulk modulus with respect to the average grain size. We find that both these properties scale as quadratic polynomials of the inverse grain size. Our formulas yield correct values for bulk diamond in the limit of large grain sizes.     

人造金刚石聚晶磨耗比与磁性关系的研究

采用不同的烧结工艺在高温高压下烧结出三批金刚石聚晶，然后采用WCF-2多用磁性分析仪和JS71-A型磨耗比测定仪对人造金刚石聚晶的磁性与磨耗比进行测量，并且分析了不同的烧结工艺和粘结剂和对聚晶磁性和磨耗比的影响。结果表明：人造金刚石聚晶的磨耗比与磁性之间存在着一定的关系，即一定的烧结条件下聚晶的磁性愈强反而它的磨耗比愈小。这样通过测量人造金刚石聚晶的磁化率可以对其进行初步分类，可以避免传统的有损检测，是一种可行的检测方法。     

含硫金刚石的合成及杂质分析

本文分别用Ni70Mn25Co5合金粉末和含添加剂硫的Ni70Mn25Co5合金粉末作触媒合成了金刚石单晶，通过对比，发现添加剂硫的引入使得金刚石内的包裹体含量增加，使晶体表面出现熔坑；利用X射线荧光光谱对晶体的杂质成分、相对含量进行了分析，发现杂质元素锰、硫的含量随着触媒中硫的添加量的增加呈增加趋势，由此推测在金刚石生长过程中生成了难熔的MnS，MnS以包裹体的形式进入金刚石中，在一定程度上破坏了金刚石的晶格排列，使得表面出现熔坑。     

新型电镀弱包镶金刚石钻头研制

钻进极坚硬地层时钻头打滑的原因是：钻头胎体表面被磨钝的金刚石上端被胎体包裹,下端与岩石形成吻合的面接触,金刚石处于接近二向受力状态,影响金刚石新陈代谢的继续进行;发明专利“一种电镀弱包镶金刚石钻头的制作工艺”利用机械方法在金刚石表面包裹一层弱包镶层,然后利用电沉积方式制成电镀钻头;新型电镀弱包镶钻头工作原理是电镀胎体与金刚石之间具有一层没有粘结特性的弱包镶层,减弱了电镀胎体对金刚石的包镶能力,使钻头在胎体磨损不大的情况下,金刚石就会从电镀胎体中自行脱落下来,实现金刚石的换层。这种新型电镀弱包镶钻头能很好地解决钻进坚硬致密弱研磨性地层的打滑问题。     

聚晶金刚石复合片脱Co增强性能研究

在制备普通聚晶金刚石复合片（PDC）的基础上,将一次合成的聚晶金刚石进行脱Co处理,再重新组装进行二次合成。新合成PDC的耐磨性、抗冲击性能和耐热性等有很大提高,其平均体积磨耗比达到5.20×106,比普通产品的磨耗比高约40%;金刚石层中Co的减少并未造成其抗冲击性能的下降;耐热性能也大幅度提高。脱Co处理能有效减少金刚石层中的Co含量,并改善其结合剂分布的均匀性,抑制结合剂的局部聚积,最终使金刚石层中D-D键数量明显增多,PDC的耐磨性提高。      

Fracture in CVD diamond

The fracture behaviour of thick, textured films of chemical-vapour-deposited diamond is discussed with particular emphasis on the influences asserted by the polycrystalline microstructure. Cracking is investigated on two different scales, firstly where it is large in that it traverses many grains and pertains to the fracture of the bulk. The second is where the fractures are localised, resulting from repeated small particle impacts and the mechanisms of material removal at the grain-size-scale are elucidated. The behaviour at this smaller level can be rationalised in terms intermediate to bulk fracture and that observed in single crystal diamond. The effects of grain size, grain boundaries, crystallographic orientation, twinning, internal stresses and pre-existing flaws are discussed. A new value for the fracture toughness is calculated and the gravimetric erosion rate for different surface orientations measured.     

Thermal conductivity of diamond/copper composites with a bimodal distribution of diamond particle sizes prepared by pressure infiltration method

The thermal conductivity of diamond/copper composites with bimodal particle sizes was studied.The composites were prepared through pressure infiltration of liquid copper into diamond preforms with a mixture of 40 and 100 μm-size diamonds.The permeability of the preforms with different coarse-to-fine volume ratios of diamonds was investigated.The thermal conductivity of the diamond/copper composites with bimodal size distribution was compared to the theoretical value derived from an analytical model developed by Chu.It is predicted that the diamond/copper composites could reach a higher thermal conductivity and their surface roughness could be improved by applying bimodal diamond particle sizes.