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                  納米結構超硬材料的研發

                  /發表時間:2019-07-18 16:05
                  超硬材料用來制造加工其它材料的工具,尤其在加工硬質材料方面,具有無可比擬的優越性,占有不可替代的重要地位。超硬材料一般定義為硬度超過40GPa維氏硬度值的具有高電子密度和高共價鍵的不可壓縮固體。當前國際上正在研發的新型超硬材料可分為兩大類型,一種是本征類超硬材料,包括大家比較熟悉的金剛石、立方氮化硼、氮化碳和B-N-C三元化合物等;另一種是非本征類超硬材料,是具有納米結構的材料,如納米金剛石聚集體等,此類超硬材料的硬度及力學性能很大程度上取決于其納米結構。這種納米結構超硬材料正以其優異性能引起材料界的關注。例如,納米粒度的金剛石聚集體,其硬度與堅韌性大于普通大顆粒金剛石,其中一種形式就是聚合金剛石納米棒,其硬度達到150GPa,是目前已知的最硬材料之一。

                  研究表明,固體材料的硬度受其顯微缺陷的影響很大。例如,人造金剛石聚晶復合片,這是一種在高溫高壓情況下由許多細晶粒金剛石和硬質合金襯底聯合燒結而成的塊狀聚結體,可以用來切削非鐵金屬及其合金、硬質合金以及非金屬材料;切削速度為硬質合金刀具的上百倍,耐用度為硬質合金的上千倍。但是,其抗沖擊強度仍然偏低,其原因就在于其內部易萌生和蔓延微裂紋。因此,研發新型納米結構超硬材料的核心問題就是在合成過程中通過晶界強化,使結構內的微裂紋等缺陷被消除或最小化,此舉可使材料的強度增大3至7倍。

                  用于合成納米結構超硬材料的方法通常是熱均壓法,其特點是能合成出大塊而且形狀復雜的超硬材料,在合成過程中可降低金屬的孔隙度,同時提高多種陶瓷材料的密度,從而提高合成材料的力學性質。

                  就應用而言,超硬材料的力學性質除了硬度之外,還應包括耐磨性、斷裂韌性、屈服強度和熱穩定性等。目前具有實用意義的納米結構超硬材料有B-C-N-O超硬材料和金剛石-碳化硅納米復合材料。以納米結構碳化硅為基質的微米金剛石與納米金剛石混合的復合材料的斷裂韌性可比碳化鎢硬質合金的斷裂韌性提高20%~30%,硬度達到40~60GPa,屈服強度達到16GPa,接近于金剛石。這種具有很高硬度又具有很高斷裂韌性的新型超硬材料很有希望替代熱穩定性差而且沖擊強度低的聚晶金剛石復合片,應用于嚴酷的工作環境,特別是涉及能源的深井與超深井鉆探工程。

                  引起關注的納米結構超硬材料還有低價氧化硼B6O復合材料,它既有相當高的硬度又有較高的熱穩定性和化學隋性,其硬度接近于立方氮化硼。用它制作機加工刀具,用于高速干式加工或高精度加工航天器耐熱陶瓷材料等具有優異效果,其性能比金剛石或立方氮化硼刀具好得多,而且無需冷卻液,有利于環境保護。

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