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纳米结构超硬材料的研发

2017-04-06 09:55 来源:中国联合钢铁网
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超硬材料用来制造加工其它材料的工具,尤其在加工硬质材料方面,具有无可比拟的优越性,占有不可替代的重要地位。超硬材料一般定义为硬度超过40GPa维氏硬度值的具有高电子密度和高共价键的不可压缩固体。当前国际上正在研发的新型超硬材料可分为两大类型,一种是本征类超硬材料,包括大家比较熟悉的金刚石、立方氮化硼、氮化碳和B-N-C三元化合物等;另一种是非本征类超硬材料,是具有纳米结构的材料,如纳米金刚石聚集体等,此类超硬材料的硬度及力学性能很大程度上取决于其纳米结构。这种纳米结构超硬材料正以其优异性能引起材料界的关注。例如,纳米粒度的金刚石聚集体,其硬度与坚韧性大于普通大颗粒金刚石,其中一种形式就是聚合金刚石纳米棒,其硬度达到150GPa,是目前已知的最硬材料之一。
研究表明,固体材料的硬度受其显微缺陷的影响很大。例如,人造金刚石聚晶复合片,这是一种在高温高压情况下由许多细晶粒金刚石和硬质合金衬底联合烧结而成的块状聚结体,可以用来切削非铁金属及其合金、硬质合金以及非金属材料;切削速度为硬质合金刀具的上百倍,耐用度为硬质合金的上千倍。但是,其抗冲击强度仍然偏低,其原因就在于其内部易萌生和蔓延微裂纹。因此,研发新型纳米结构超硬材料的核心问题就是在合成过程中通过晶界强化,使结构内的微裂纹等缺陷被消除或最小化,此举可使材料的强度增大3至7倍。
用于合成纳米结构超硬材料的方法通常是热均压法,其特点是能合成出大块而且形状复杂的超硬材料,在合成过程中可降低金属的孔隙度,同时提高多种陶瓷材料的密度,从而提高合成材料的力学性质。
就应用而言,超硬材料的力学性质除了硬度之外,还应包括耐磨性、断裂韧性、屈服强度和热稳定性等。目前具有实用意义的纳米结构超硬材料有B-C-N-O超硬材料和金刚石-碳化硅纳米复合材料。以纳米结构碳化硅为基质的微米金刚石与纳米金刚石混合的复合材料的断裂韧性可比碳化钨硬质合金的断裂韧性提高20%~30%,硬度达到40~60GPa,屈服强度达到16GPa,接近于金刚石。这种具有很高硬度又具有很高断裂韧性的新型超硬材料很有希望替代热稳定性差而且冲击强度低的聚晶金刚石复合片,应用于严酷的工作环境,特别是涉及能源的深井与超深井钻探工程。
引起关注的纳米结构超硬材料还有低价氧化硼B6O复合材料,它既有相当高的硬度又有较高的热稳定性和化学隋性,其硬度接近于立方氮化硼。用它制作机加工刀具,用于高速干式加工或高精度加工航天器耐热陶瓷材料等具有优异效果,其性能比金刚石或立方氮化硼刀具好得多,而且无需冷却液,有利于环境保护。(钢研)

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