硅基聚晶金刚石的性能与物相分析
聚晶金刚石复合片脱钴试验的抗弯强度对比分析
聚晶金刚石复合片脱钴试验的抗弯强度对比分析赵彬;邬浩天;黄凯;王艳芝【摘要】对不脱钴和脱钴的聚晶金刚石复合片(PDC)复合层分别进行抗弯强度测试,并根据其原理计算抗弯强度.采用XRD和SEM对断裂面的物相和形貌进行分析,观察钴含量对抗弯强度的影响.结果表明:脱钴后,PDC金刚石层中Co含量降低,韧性变差,受到载荷作用时首先出现裂纹,导致复合层在完全断裂前载荷-位移曲线有略微下降的趋势;两个系列PDC样品的复合层抗弯强度均较未脱钴的有明显降低,说明Co相的存在有助于提高PDC的抗弯强度;且随着脱钴深度的增加,PDC复合层抗弯强度的降幅增大.【期刊名称】《中原工学院学报》【年(卷),期】2018(029)006【总页数】6页(P11-15,20)【关键词】聚晶金刚石复合片;脱钴;三点抗弯强度;钴【作者】赵彬;邬浩天;黄凯;王艳芝【作者单位】河南晶锐新材料股份有限公司,河南郑州451171;北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;中原工学院纺织学院,河南郑州450007【正文语种】中文【中图分类】TG74聚晶金刚石复合片(PDC)是一种新型复合材料，是在高温高压条件下把粒度为微米级的金刚石颗粒与硬质合金碳化钨基体烧结而成。
PDC既具有聚晶金刚石的高硬度和高耐磨性，又具有硬质合金的可焊接性[1-3]。
传统上PDC主要应用于地质勘探、石油天然气煤炭开采等领域，近年来随着PDC使用方法的不断创新，使用领域的不断拓展，PDC的需求量持续上升[4-8]。
随着PDC使用环境的多样化和复杂化，对其各种性能指标的要求越来越高。
目前国内PDC产品的磨耗比、抗冲击韧性与国外同类产品已十分接近，但在使用效果上仍有较大差距，导致售价差异较大。
究其原因主要是国内复合片的稳定一致性不好，在地质条件复杂的区域表现更为明显。
去除钴粘结相是提高PDC热稳定性的一个重要方法，因此市场上的PDC产品多为脱钴产品。
金刚石聚晶的堆积密度
金刚石聚晶的堆积密度1.引言1.1 概述金刚石聚晶的堆积密度是指在固定容器或结构中，金刚石颗粒的紧密程度。
金刚石作为一种重要的宝石和工业材料，其堆积密度对于其性能和应用具有重要的影响。
金刚石是一种由碳元素组成的矿物，拥有优异的物理和化学性质。
它具有极高的硬度和强度，是目前已知的最坚硬的物质之一。
由于其硬度和耐磨性，金刚石被广泛应用于宝石加工、石油钻探、切割工具等领域。
金刚石聚晶是指将金刚石颗粒通过特定的工艺方法进行堆积和固结而形成的一种材料。
聚晶的过程中，金刚石颗粒之间通过化学键或物理键相互吸附和结合，形成了一个坚固的结构。
聚晶可以增加金刚石的密度和坚固性，使其更具实用性。
金刚石聚晶的堆积密度受多种因素的影响。
其中，金刚石颗粒的形状和大小、颗粒间的间隙大小以及聚晶工艺等因素都会对堆积密度产生影响。
较为紧密的堆积密度可以提高金刚石材料的坚固性和耐磨性，使其在工业领域中的应用更加广泛。
金刚石聚晶的堆积密度在各个领域都具有重要的应用价值。
在宝石加工中，通过增加金刚石的堆积密度，可以提高宝石的光泽和折射率，使其更具观赏价值。
而在工业领域，金刚石聚晶的堆积密度可以增加切削工具的锋利度和使用寿命，提高生产效率。
总之，金刚石聚晶的堆积密度是金刚石材料重要的性质之一，对于其性能和应用具有重要意义。
进一步研究金刚石聚晶堆积密度的影响因素和应用价值，将有助于推动金刚石材料的发展和应用。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以写成：本文主要分为三个部分：引言、正文和结论。
在引言部分，我们将概述金刚石聚晶的堆积密度的重要性以及研究的目的。
首先，我们将介绍金刚石的特性，特别是与其堆积密度相关的特性。
然后，我们将解释聚晶的概念，并概述其在金刚石领域中的应用。
通过这些介绍，读者将对金刚石聚晶的堆积密度有一个初步的了解。
在正文部分，我们将更详细地介绍金刚石的特性，包括其物理和化学特性。
我们将讨论金刚石晶体的结构和形成过程，并探讨它们在堆积过程中的堆积方式和影响因素。
硅晶片金刚石线切割的表面特征及其力学性能
硅晶片金刚石线切割的表面特征及其力学性能发表时间：2016-11-30T16:41:09.943Z 来源：《基层建设》2016年19期作者：邢玉军[导读] 摘要：分析了金刚石线切割硅晶片的表面形貌和断裂性能，并在此基础上探讨金刚石线切割原理以及一些技术挑战。
内蒙古中环光伏材料有限公司摘要：分析了金刚石线切割硅晶片的表面形貌和断裂性能，并在此基础上探讨金刚石线切割原理以及一些技术挑战。
金刚石线切割具有表面粗糙度低，硅片厚度均匀等优点，但却存在断裂强度各项异性。
与切割划痕垂直方向的力学性能很高，然而与划痕平行方向的力学性能较低，这种性能差异是由表面单方向裂纹引起的，其裂纹的产生又与切割机理密切有关。
金刚石线切割属于二体磨料磨损，其切割方式通常为塑性划痕，加之有少量脆性剥落。
由于切割线的柔性，以及金刚石磨粒大小、形态、及分布的差异，切割过程则会出现切割的不连续性和不稳定性，并由此引起一些较大的表面裂纹。
此外，划痕沟槽局部还会出现非晶态结构。
提高金刚石线切割性能应从切割线磨粒角度来考虑。
关键词：金刚石线切割；表面形貌；断裂强度；切割机一、引言金刚石线切割是一种新型替代型切割技术。
金刚石线切割不仅切割速度快、切割线使用寿命长、环境污染小，同时还可回收硅废料，因而受到极大重视。
许多研究公司都在开发相关配套设备和技术。
比如，日本旭金刚石工业株式会、美国DMT公司、比利时贝卡尔特正在开发金刚石切割线，瑞士的梅耶博格、美国的应用材料公司和德国的RENA研发金刚石线切割设备，中国的昱辉和美国MEMC从事金刚石线切割应用方面的工作。
金刚石线切割现已初步应用于单晶硅材料的切割，但尚未用于类单晶和多晶切割。
由于硅晶材料和切割加工约占太阳能光伏电池总成本的35%左右，人们希望一方面进一步减小硅晶片厚度，另一方面提高切割效率和质量，以达到降低成本的目的。
金刚石线切割技术是一种新技术，在开发应用方面还面临很多挑战。
文中在分析金刚石线切割晶片的形貌和力学性能的基础上，提出并探讨了切割机理及相关的核心技术问题。
3聚晶金刚石的热稳定性研究
3 聚晶金刚石的热稳定性研究聚晶金刚石的热稳定性确定了其应用范围[12] ，对其研究越来越受到人们的关注。
由于聚晶金刚石受热后，其使用性能会受到很大影响，所以很自然地从受热前后聚晶金刚石性能的改变来研究其热稳定性。
并有定义[13] 为：聚晶金刚石复合片的耐热性是指它在空气中或保护气氛中加热而耐磨性基本保持不变所能承受的温度与相应的时间。
单以耐磨性来评定聚晶金刚石的热稳定性，未免有失偏颇。
目前，测量加热后聚晶金刚石性能改变量成为研究其热稳定性的主要手段。
在世界范围内，测定耐热性的方法主要有三种[1] ：(1)英国De Beers 公司是将其置于空气中用马弗炉加热，同时将其置于还原气氛(95%H2+5%N2)中用还原炉加热，至某一温度，并保持一段时间，然后测定其失重、耐磨性、石墨化程度和抗冲击性能;(2) 英国De Beers 公司还有用热量—差热分析仪，并配以高温显微镜，来测定其初始氧化温度，以此来确定氧化度、耐热性;(3)美国GE 公司是将加热过的烧结体，用扫描电镜作断口分析及车削试验，切削速度为107〜168m/min，进给量为0.13mmPR。
国内的研究手段大多类似于方法二，采用差热—热重法。
并用差热、热重曲线来分析温度点，以此来确定聚晶金刚石的氧化温度、石墨化温度等。
研究表明，聚晶金刚石的热稳定性与许多因素有关。
3.1 聚晶金刚石热稳定性与环境的关系与单晶金刚石的热稳定性类似，在不同环境中，聚晶金刚石的热稳定性差别很大。
分别在氢气、氮气、空气中，将去掉硬质合金基体的聚晶金刚石复合片从600 C加热到800 C [14]。
在对PCD表面显微分析中得出：氢气中，PCD表面从700 C〜750 C开始有明显的恶化；氮气中，几乎在600 C粘结相就开始从晶界渗出，随着温度的升高越来越明显，至约750C时发现PCD表面有碎裂的迹象，达到800C时则损伤相当严重；空气中，在约600C时，PCD面出现损伤，并伴随着Co 粘结相被挤出PCD 表面，其形状为球形，主要是因为粘结相的氧化物与金刚石的氧化物互不润湿。
不同硅基聚晶金刚石微观组织结构的对比分析
ｃ ａ ｒ ｂｉ ｄ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｏｓ ｉ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｔ ｈｒ ｏｕ ｇｈ ａ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ａ ｍｏｎ ｄ． Ｔｈｅ ｒ ｅ ｉ Ｓ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｌ ｂ ｉ ｎｄ ｅ ｒ
ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｄ ｉ ａ ｍ ｏｎ ｄ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｉ ｚ ｅ ． Ｔ ｈｅ ＰＣＤ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｅ ｒ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ
ｍｏ ｎ ｄ ｓ ａ ｒ ｅ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ．Ｂｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍｐ ｌ ｅ ｓ ｉ ｓ（ １ ０ —２ Ｏ ）ｗｔ ．Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｓ ａ ｌ ｓ ｏ ａ ｂ ｉ ｇ
文章编 号 ： １ ６ ７ ３ —１ ４ ３ ３ （ ２ ０ １ ５ ａ ｓ ｔ ｉ ｖ ｅ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｄｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｔｙ ｐ ｅ ｓ
的金 刚石 一碳 化 物 复 合 材 料 ； 部分 Ｐ Ｃ Ｄ 材 料 中存 在 着 单 质 粘 结 剂 或 石 墨 残 留 ， 质 量 有 待 进 一 步 改善 。
关键词 ： 聚 晶金 刚石 （ Ｐ ＣＤ） ； 硅基； 微 观 结 构
中 图分 类 号 ： ＴＱ１ ６ ４
文献标识 码 ： Ａ
第 ２ ７卷 第 ３ 期
２ Ｏ １ ５年 ６月
超
硬
材 料 工
程
材料的晶体结构与性能分析
材料的晶体结构与性能分析材料是我们生活中不可或缺的重要物质，各种材料的特性和用途也不尽相同。
其中，不同材料的晶体结构和性能是影响其用途最主要的因素之一。
一、晶体结构晶体是指化学成分、结构和性质完全相同，具有不规则有序排列的离子、原子或分子所构成的固体。
晶体的结构对其性能有着决定性的影响。
1. 晶体结构的种类晶体结构主要有离子型、共价型和金属型三种。
其中离子结构以阴、阳离子相互排列和单质型氧化物结构最为典型，共价结构体现在金刚石、硅等材料上，而金属结构则以铁、铜等金属为代表。
2. 晶体结构的特点晶体结构的特点主要包括两个方面，即对称性和周期性。
对称性指晶体中某种物理或化学性质在某一方向或某一平面（这里指的空间要素）上具有相同的性质；而周期性则指晶体中原子、离子或分子排列方式的循环重复性。
3. 晶体结构的研究方法晶体结构的研究方法主要包括X光衍射、电子衍射、中子衍射、质谱分析、荧光光谱等。
其中X光衍射是最常用的一种方法。
二、性能分析晶体结构对材料的性能有很大的影响，因此对材料的性能进行分析也很重要。
1. 机械性能材料的机械性能包括强度、韧性、硬度等。
晶体结构中原子排列的紧密程度、键的类型和键的长度、晶体的缺陷类型等都会影响其强度和韧性。
2. 导电性能导电性能是材料的一个重要物理特性，其与晶体结构的对称性以及电子结构密切相关。
晶体结构中电子的位置和排布会影响能带结构和电子状态的变化，从而影响电子的迁移和输运。
3. 热学性能材料的热学性能包括热膨胀系数、比热容、导热系数等。
晶体结构的原子排列方式和键的类型、晶格常数等因素都会影响材料的热学性能。
4. 光学性能光学性能包括折射率、吸收系数、色度坐标等。
晶体的对称性、密排程度、晶胞参数和原子尺寸差异等都会影响其光学性能。
结语综上所述，晶体结构和性能是材料研究中不可或缺的重要部分。
通过对晶体结构的研究和性能的分析，我们可以更好地理解并优化材料的性能，为其应用提供更好的保障。
一文读懂聚晶金刚石PCD
一文读懂聚晶金刚石PCD聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond，简称PCD)是20世纪70年代以来国际上开始研究使用的新型超硬材料，它是在高温1400℃、高压6GPa下烧结形成的。
聚晶金刚石既是工程材料，又是新型的功能性材料；既是高新技术产品，又是高效益的产品。
随着现代工业和科学技术的发展，聚晶金刚石以其优良的力、热、化学、声、光、电等性能，在现代工业、国防和高新技术等领域中得到日益广泛的应用。
聚晶金刚石刀具已成为现代切削加工中不可缺少的必要手段。
这主要体现在以下几个方面:(1) 高速切削、高稳定性加工(2) 超精密镜面加工(3) 干式切削、清洁化加工性能介绍(1) 高的硬度和耐磨性聚晶金刚石的硬度高达10000HV左右，是目前世界上人造物质中最硬的材料，比硬质合金及工程陶瓷的硬度高得多，由于聚晶金刚石硬度极高，并且各向同性，因而具有极佳的耐磨性。
(2) 摩擦系数低聚晶金刚石与一些有色金属的摩擦系数比其它材料都低，约为硬质合金的1/2左右。
低的摩擦系数不仅使变形和切削力降低，而且使切削时不产生积屑瘤，因而降低了加工表面粗糙度。
(3) 导热率高聚晶金刚石的导热率很高，比银、铜还要好，比一般硬质合金高得多，因此在切削过程中切削热容易散出，故切削温度较低。
(4) 加工精度高由于聚晶金刚石刀具具有较低的热膨胀系数和很高的弹性模量，因而在切削过程中刀具不易变形，在切削力的作用下刀具能保持其原始参数，长期保持锋利，切削精度高。
所以使用PCD刀具进行加工时，可以减小切削力和降低切削温度，提高刀具耐用度和切削率，获得良好的加工表面。
主要问题：PCD材料的高硬度和高耐磨性造成成型和表面光整加工非常困难，严重妨碍了它的推广应用。
常用加工方法：电火花加工、激光加工、化学加工、超声加工。
理想加工方法：磨削或研磨加工。
加工工艺介绍磨削加工鉴于聚晶金刚石的高硬度和耐磨性，其磨削加工主要有金刚石砂轮磨削、放电磨削和电解磨削等方式，其中最简单、有效的磨削加工方式是金刚石砂轮磨削。
硅的金刚石结构
硅的金刚石结构硅是一种常见的元素，其化学符号为Si，原子序数为14。
它是地壳中第二丰富的元素，占据了地壳质量的约27%。
硅具有硬度较高、熔点较高、导电性能良好等特点，因此在工业和科技领域有广泛的应用。
硅的结构可以类比于金刚石，也称为硅的金刚石结构。
硅的金刚石结构是一种非金属晶体结构，由硅原子通过共价键结合而成。
在硅的金刚石结构中，每个硅原子与四个相邻的硅原子形成共价键，形成了三维的网状结构。
硅原子的四个电子外层都参与到共价键的形成中，使得硅的金刚石结构具有较高的稳定性。
硅的金刚石结构中，硅原子排列成紧密堆积的立方晶系。
每个硅原子周围都有四个相邻的硅原子，形成了类似于金刚石的结构。
硅原子之间的共价键非常强大，使得硅的金刚石结构具有硬度非常高的特点。
金刚石是硬度最高的物质之一，硅的金刚石结构也具有类似的硬度。
硅的金刚石结构中，硅原子之间的距离约为0.235纳米。
由于硅原子与相邻原子之间的共价键非常强，因此硅的金刚石结构具有很高的熔点。
硅的熔点约为1414摄氏度，这也是由于硅原子之间的共价键非常强的缘故。
硅的金刚石结构具有良好的导电性能。
每个硅原子都有四个电子外层参与到共价键的形成中，这使得硅的金刚石结构具有良好的电导性。
此外，硅的金刚石结构还具有较高的热导性能，这也使得硅成为了一种重要的热导材料。
硅的金刚石结构在工业和科技领域有广泛的应用。
硅材料是半导体材料的重要组成部分，广泛应用于电子器件、太阳能电池等领域。
硅材料还可以用于制备光纤、光学器件等。
此外，硅材料还可以用于制备陶瓷、涂层等材料，具有广泛的应用前景。
硅的金刚石结构是一种非金属晶体结构，具有硬度高、熔点高、导电性能好等特点。
硅材料在工业和科技领域有广泛的应用，对于推动社会的发展具有重要的意义。
硅的金刚石结构的研究不仅有助于深入了解硅的特性，也能为材料科学领域的发展提供一定的参考。
金刚石和硅的键合
金刚石和硅的键合简介金刚石（Diamond）和硅（Silicon）是两种被广泛应用的材料，它们具有不同的物理和化学性质。
本文将探讨金刚石和硅的键合机制，通过比较它们的晶体结构、键类型和键强度来深入理解它们之间的差异。
晶体结构金刚石是一种由碳原子构成的晶体，每个碳原子与四个相邻的碳原子形成一个四面体结构。
金刚石晶体呈立方晶系，具有非常强的化学惰性和硬度。
硅是一种主要由硅原子构成的晶体，硅晶体呈面心立方结构。
硅晶体中的每个硅原子与四个相邻的硅原子形成共价键，形成一个三维网络。
键类型金刚石晶体中的碳原子之间形成了非常强大的共价键。
共价键是由原子之间共享电子而形成的，因此金刚石的键强度很高。
共价键使得金刚石具有非常高的硬度和化学稳定性。
硅晶体中的硅原子之间也形成了共价键，但由于硅的电负性较低，硅-硅共价键相对较弱。
硅晶体的键强度比金刚石要低很多。
键强度金刚石的碳-碳共价键非常坚固，具有很高的键能（bond energy）。
每个碳原子周围的四个碳原子共享其外层电子，形成了非常稳定的键。
这使得金刚石具有非常高的硬度和抗化学腐蚀性。
硅晶体的键强度较金刚石要低。
硅-硅共价键的键能相对较低，因为硅的电负性较低，共享的电子被各个原子相对较弱地束缚在一起。
应用由于金刚石具有非常高的硬度和化学稳定性，它在工业领域得到了广泛应用。
金刚石可用于制造高速切削工具、磨料和磨具。
此外，金刚石还在电子领域被用作半导体材料。
硅是一种重要的半导体材料，广泛用于电子和太阳能领域。
硅的半导体性质使其成为集成电路的基本材料，广泛用于制造电子器件和电路。
此外，硅还是太阳能电池的重要组成部分。
金刚石和硅的比较•晶体结构：金刚石呈立方晶系，硅呈面心立方结构。
•键类型：金刚石和硅都是共价键。
•键强度：金刚石的键强度比硅要高。
•应用：金刚石用于制造切削工具、磨料和磨具，硅用于制造集成电路和太阳能电池等。
结论金刚石和硅作为重要的材料，在不同的领域发挥着重要作用。
聚晶金刚石的性能及其在生产工艺上的优化_胡娟
Abstract: Po lycrystalline d iam ond( PCD for short) not only possesses exce llen t perform ance that single crysta ls of d iam ond possess, but also possesses som e other ex cellences, such as the quality of isotropy and the fac ility in the process of produc ing and m anufacturing. But as a resu lt o f the ex ist o f singtering agen,t the hardness, abradability, therm a l stab ility of PCD are not as w e ll as single crystal d iamond. M any scient ists and producers study on the w ay to op tim ize the perform ance of PCD by im prov ing the technique of product ion. T h is paper ism a inly introduc ing the perform ance of PCD and the ach ievem ent o f its opt im ization, and a lso the prospect of the PCD s' app licat ion. K ey w ord s: PCD; perfo rm ance; optim ization; prospect of applicat ion
聚晶金刚石
主要用于研磨，一般配制成研磨液来使用。
也有可能制作刀具，切割时不容易产生崩裂。
谢谢观看
微粉粒度图
聚晶金刚石微粉粒度图D50值也就是中值粒径（Median）
优点
优异的磨削性能：高去除率和韧性，具有自锐性； 与单晶金刚石比较起来，更不容易产生表面划伤； 更适合用来研磨表面由不同硬度材料构成的工件。
应用领域
作为精密磨料，用于蓝宝石、磁头、硬盘、硬质玻璃和晶体、陶瓷以及硬质合金的超精密研磨和抛光，如用 于LED蓝宝石的减薄。
聚晶金刚石
利用独特的定向爆破法由石墨制得的金刚石
01 基本介绍
04 应用领域
聚晶金刚石(PCD)（微粉）是利用独特的定向爆破法由石墨制得，高爆速炸药定向爆破的冲击波使金属飞片 加速飞行，撞击石墨片从而导致石墨转化为聚晶金刚石。
基本介绍
其结构与天然的金刚石极为相似，通过不饱和键结合而成，具有很好的韧性。 制作工艺 聚晶金刚石
金刚石-SiC、纳米结构金刚石-TiC、金刚石-金刚石直接成键型聚晶的制备与表征
金刚石-SiC、纳米结构金刚石-TiC、金刚石-金刚石直接成键型聚晶的制备与表征王海阔;邵华丽;贺端威;陈永杰;张方方【摘要】主要报道金刚石-SiC、纳米结构金刚石-TiC、金刚石-金刚石直接成键型三种典型金刚石聚晶材料的制备与表征，详细叙述了纳米结构金刚石-TiC 聚晶的制备过程。
对三种金刚石聚晶材料的硬度、热稳定性、导电性进行了分析，并对它们的性能进行了比较。
%This article mainly introduces the preparation and characterization of three typi-cal types of diamond polycrystalline materials (diamond-SiC,nanostructured diamond-TiC and diamond-diamond direct bonding type)and gives a detail description of the prepa-ration of nanostructured diamond-TiC polycrystalline.In addition,the rigidity,thermo-stability and electroconductivity of these three types of diamond polycrystalline materials have been analysed and their performances have been compared.【期刊名称】《超硬材料工程》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】6页(P6-11)【关键词】金刚石-SiC聚晶;纳米结构金刚石-TiC聚晶;金刚石-金刚石直接成键型聚晶;性能比较【作者】王海阔;邵华丽;贺端威;陈永杰;张方方【作者单位】河南工业大学材料学院，郑州 450007;河南工业大学材料学院，郑州 450007;四川大学原子与分子物理研究所，成都 610065;河南工业大学材料学院，郑州 450007;河南工业大学材料学院，郑州 450007【正文语种】中文【中图分类】TQ164聚晶金刚石因具有高硬度,高耐磨性以及高热传导性而被广泛应用于非铁金属和不含铁合金的加工、石油天然气及矿业勘采、木质地板加工、线材拉拔等领域[1,2]。
硅基聚晶金刚石的性能与物相分析
人 造 聚 晶金 刚 石 （ ｐ ｏ ｌ ｙ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｌ ｉ ｎ ｅ ｄ ｉ ａ ｍｏ ｎ ｄ ， 简 称
坯料， 对 比研 究 它们 的力 学 物 理 性 能 ，并 分 析 粘结 剂
的物相结 构 ， 探讨 影 响硅 基 聚 晶 金 刚石 材 料 使 用 性 能
Ｐ Ｃ Ｄ ） 的发展 始 于上 个 世 纪 ６ Ｏ年 代 初 期 ， 是 由人 造 金 刚 石微 粉 与粘结 剂在 高 温高压 环境 下烧 结 而成 的复合
多 晶 Ｘ射线衍 射 仪分析 样 品 的物 相结 构 。
物从 而粘 结 在一起 。这类 聚 晶的磨 耗与 前者 相 比相对 较低 ， 但 其耐 热性 大 大 提 高 。针 对 不 同 的粘 结剂 及 其 对 聚 晶金刚 石性 能 的影 响 ， 国 内外 学 者 进 行 了广 泛深
人 的研究 ｊ 。
媒金 属 的催 化作 用形 成 Ｃ—Ｃ键 结合 。该类 聚 晶 耐磨
１ 实 验
本 实验 选取 市场 上 ３ 种 典 型的硅 基 聚晶金 刚石坯 料作 为研 究 对 象， 分 别 编 号 为 样 品 Ａ、 样 品 Ｂ 和 样品 Ｃ 。首先 采用 Ｚ Ｔ Ｐ Ｇ２ ５ ０ —１型聚 晶超硬 复合 材料 镜 面抛光 机进 行抛 光 处 理 ， 然后 利用 体 式 显 微镜 观 察 其抛 光 面 ， 并 利用 ＤＨＭ一２型 磨 耗 比测 定 仪 、 Ｖｉ ｃ ｋ ｅ ｒ ｓ ４ ０ ２ ＭＶＤ型 维 氏硬度 计和 ＭＤ Ｓ 一３ ０ ０ ０高精 度 电子密
度计 分别 测量 ３ 种 样 品 的磨 耗 比 、 显 微 硬 度 和 体积 密
度， 最后 利用 日本 理 学 公 司 生产 的 ＵＩ ｔ ｉ ｍａ Ｉ Ｖ 型 粉末
金刚石物理性质
金刚石物理化学性质(1)化学成分：C。
常含有Cr、Mn、Ti、Mg、Al、Ca、Si、N、B等。
(2)颜色：常见的为浅黄色、浅黄褐色、浅黄绿色、褐色，无色(浅黄白、白、优白)占有一定数量，玫瑰色、粉红色、浅蓝色、绿色、黑色、茶色十分稀少。
(3)透明度：无色及浅色金刚石均成透明状，在无色中的白、优白金刚石测定透过率达95%以上，深色金刚石及具毛玻璃蚀象的透明度减弱呈现半透明状，当金刚石中包体含量增加亦影响透明度。
(4)硬度：摩氏硬度10，新摩氏硬度15，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。
金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。
(5)密度：金刚石密度与金刚石晶体中的包含物密切相关，无色透明质纯的金刚石密度为3.52g/cm3，当具有包含物时密度为3.44~3.53g/cm3。
(6)偏光性：绝大多数金刚石在偏光下显示非均性，金刚石属等轴晶系矿物，理论上应为均质性，但由金刚石形成于压力变化的地质体中，由于应力作用使金刚石晶体内结构产生局部错位，因而显示不均匀的非均质性，表现在消光上的不一致性，干涉色很低的一级灰色，极少数还可测得一轴晶干涉图像。
(7)折射率(N)：2.4493(λ436μm)、2.4354(λ486μm)、2.4237(λ546μm)、2.4176(λ589μm)、2.4103(λ656μm)。
(8)反射率(R)：油浸下5.308%，空气中17.29%。
(9)亲油疏水性：金刚石是一种亲油疏水性矿物，在晶体表面擦上油质后可见晕色，在晶面上滴上油珠立即扩散，而滴上水珠则不扩散，因此在选矿中利用油选可将金刚石分离出来。
(10)电磁性：金刚石为无磁性重部分矿物(p>2.9)因此在选矿中不能采用电磁选(中磁性、弱磁性)方法。
(11)导电性：绝大多数金刚石是电介质，电阻率：5×104Ω.cm，Ⅰ型及Ⅱ型(Ⅱa)金刚石为绝缘体，比电阻>1016Ω.cm，I型(H b)金刚石为P型半导体，比电阻10~103Ω.cm，温度上升到600℃或下降到-150℃时，电阻提高。
金刚石硬度大于晶体硅的原因
金刚石硬度大于晶体硅的原因
金刚石和晶体硅可被认为是地球上最硬的物质，但它们之间依然有着明显的差别。
晶体硅是一种特殊的硅，它可以抵抗较大的压力和内能，可以实现技术性能的极致。
但是，金刚石的硬度还是要比晶体硅高出很多，大家可能想知道，金刚石之所以硬度大于晶体硅，到底是因为什么原因呢？
【原因一：原子结构不同】
首先，金刚石和晶体硅的原子结构不同，这是它们硬度差异的最主要原因。
金刚石是一种单质，它的原子是以三维网格形式排列，而晶体硅原子是以二维晶格形式排列，这就是它们相互之间硬度差异的主要原因所在。
金刚石的原子有着三维晶格结构，它们之间有着非常紧密的关系，形成了一个更坚硬、更牢固的结构，能够有效地抵抗外力。
而晶体硅原子的结构只有二维，其中的原子间距较大，结构也较松散，因此在硬度方面不及金刚石。
【原因二：晶格结构不同】
其次，金刚石和晶体硅的晶格结构也不同。
金刚石是一种以四方体为基础的晶格结构，这种晶格结构非常紧密、坚硬，而晶体硅是以二方体为基础的晶格结构，它们的结构较松散，所以具有较低的硬度。
【原因三：自旋方向不同】
此外，金刚石和晶体硅的原子还存在着自旋方向的差异。
金刚石的原子自旋方向主要是沿着其三维晶格结构的光轴，使得原子分布均
匀，其硬度能够达到最大。
而晶体硅的原子自旋沿着其二维晶格结构的体轴，原子分布不均匀，硬度也相对较低。
【结论】
以上就是金刚石硬度大于晶体硅的原因。
由于它们之间在原子结构、晶格结构、自旋方向等方面存在着明显的差异，使得金刚石的硬度大于晶体硅，并且硬度还会随着压力的增大而增大。
聚晶金刚石的特点、应用、分类及聚结机理
聚晶金刚石的特点、应用、分类及聚结机理超 /硬 /天 /地文/邹芹，王明智，李艳国，赵玉成摘要：本文主要介绍了聚晶金刚石的特点及应用、烧结型聚晶金刚石的分类、烧结型聚晶金刚石的聚结机理。
聚晶金刚石除了具有金刚石的一些性能外，还具有一些其它的优异性能，如：可以直接合成或加工成特定规整形状；可以设计或预测新产品的性能，赋予产品必要的特点等。
PCD目前主要用于切削工具、石油钻探工具、拉丝模、矿山开采和耐磨元件等领域。
根据PCD中晶粒结合情况可把PCD分为自身烧结和中介结合烧结两种。
烧结型PCD可分为无添加剂和有添加剂两种。
0 引言单晶金刚石由于存在各向异性，导致其在加工、使用过程中会存在方向性的问题，且大块单晶金刚石的制备在目前的合成条件下很难实现，由此人们想到了用聚晶金刚石（PCD）来代替单晶金刚石。
在自然界中存在的天然PCD有卡布那多（Carbonado）和巴拉斯（Ballas）两种。
卡布那多是一种由许多细粒金刚石与其它物质聚结成的块状PCD，很早人们称其为黑金刚石。
巴拉斯其外形似球，坚硬的外壳由辐射状金刚石构成。
它们除具有高硬度外，还具有高韧性、无方向性、无解理面等特点。
但自然界中储量甚少。
自从人造金刚石问世以来，50年代起人们就试图在超高压高温条件下能合成出其性能及结构与卡布那多及巴拉斯相似的PCD，其国家先后有美国、前苏联、南非、中国等。
70年代初期已有产品开始用于工业领域，如美国通用电气公司（GE）在1972年推出的Compax商品，是一种带硬质合金衬底的多晶金刚石复合体；英国De Beers公司在1976年推出的Syndite也属同类型商品；中国在1972年推出的JRS产品是一种整体式的柱状PCD。
人工合成的PCD是一种以许多细金刚石为原料，在有或无添加剂参与和超高压高温条件下聚结而成的金刚石聚集体。
1 聚晶金刚石的特点及应用与单晶金刚石相比PCD具有以下特点：①可以直接合成或加工成特定规整形状；②可以设计或预测新产品的性能，赋予产品必要的特点，从而适应特定用途。
不同硅基聚晶金刚石微观组织结构的对比分析
不同硅基聚晶金刚石微观组织结构的对比分析一、引言介绍研究目的和意义，简述硅基聚晶金刚石的研究现状和应用前景。
二、硅基聚晶金刚石的制备及微观组织结构表征1.硅基聚晶金刚石的制备方法2.常见的硅基聚晶金刚石的微观组织结构表征技术，如SEM、TEM等3.各制备方法及表征技术的优缺点及适用范围三、不同制备方法对硅基聚晶金刚石的微观组织结构的影响1.高温高压方法制备的硅基聚晶金刚石的微观组织结构2.气相沉积法制备的硅基聚晶金刚石的微观组织结构3.化学气相沉积法制备的硅基聚晶金刚石的微观组织结构4.离子束沉积法制备的硅基聚晶金刚石的微观组织结构5.不同制备方法对硅基聚晶金刚石微观组织结构的不同影响分析四、硅基聚晶金刚石的微观性能及其与微观组织结构的关系1.硬度、韧度、弹性模量等宏观性能对微观组织结构的依赖2.晶体缺陷、晶界、孪晶等微观结构对性质的影响3.不同制备方法造成的微观结构变化对性质的影响五、总结与展望综合各种硅基聚晶金刚石制备方法和微观组织结构的研究成果，探讨了微观组织结构对硅基聚晶金刚石性能的影响，分析了不同制备方法对微观结构的影响，对今后硅基聚晶金刚石的研究方向与发展方向进行分析和展望。
一、引言硅基聚晶金刚石是一种新型的材料，具有极高的硬度和热稳定性，被广泛用于工业和科技领域中。
近年来，随着技术的发展和人们对其性能需求的不断提高，硅基聚晶金刚石的微观组织结构研究成为材料科学领域的热点研究领域。
微观组织结构是材料性质的基础，不同制备方法和工艺条件对硅基聚晶金刚石的微观组织结构产生的影响是研究硅基聚晶金刚石性能和应用的关键。
本章将介绍硅基聚晶金刚石的制备方法和常见的微观组织结构表征技术。
二、硅基聚晶金刚石的制备及微观组织结构表征1.硅基聚晶金刚石的制备方法硅基聚晶金刚石的制备方法有多种，其中较为常见的制备方法包括高温高压法、气相沉积法、化学气相沉积法和离子束沉积法等。
（1）高温高压法：通过在高温高压条件下将钻石芯片和硅粉等原料混合加热，利用钻石的超硬度和抵抗高温高压的性质，使硅原子在钻石芯片表面晶化成聚晶金刚石，从而得到硅基聚晶金刚石。
金刚石聚晶课程设计
金刚石聚晶课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够掌握金刚石聚晶的基本概念，了解其在工业中的应用和重要性。
2. 学生能够描述金刚石聚晶的微观结构和宏观特性，理解其与其他超硬材料的区别。
3. 学生能够阐述金刚石聚晶的合成方法和相关工艺流程。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析金刚石聚晶的特性和应用领域，提出合理的研究方向。
2. 学生通过实验操作，掌握金刚石聚晶的制备技巧，提高动手实践能力。
3. 学生能够运用科学方法，对金刚石聚晶的性能进行测试与评估，培养解决问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对金刚石聚晶及相关材料科学的兴趣，激发探索精神和创新意识。
2. 增强学生的团队合作意识，培养在实验和研究中尊重事实、严谨求实的科学态度。
3. 提高学生对我国在超硬材料领域取得的成果的自豪感，培养学生的家国情怀。
本课程针对高中年级学生，结合课程性质、学生特点和教学要求，将目标分解为具体的学习成果。
旨在帮助学生系统掌握金刚石聚晶的相关知识，提高实践操作能力，培养科学素养和创新能力。
同时，注重培养学生的情感态度和价值观，使他们在学习过程中形成积极向上的人生态度。
二、教学内容1. 金刚石聚晶基本概念：讲解金刚石聚晶的定义、结构特点，比较金刚石聚晶与单晶金刚石、立方氮化硼等超硬材料的差异。
教材章节：第二章 超硬材料概述2. 金刚石聚晶的合成方法：介绍高温高压法、化学气相沉积法等金刚石聚晶合成技术，分析各种方法的优缺点。
教材章节：第三章 金刚石聚晶的合成与制备3. 金刚石聚晶的性能与应用：阐述金刚石聚晶的物理、化学性能，以及在石油勘探、机械加工等领域的应用。
教材章节：第四章 金刚石聚晶的性能与应用4. 实验操作：组织学生进行金刚石聚晶制备实验，学习实验操作技巧，观察聚晶生长过程，分析影响聚晶质量的因素。
教材章节：第五章 实验操作与技术5. 性能测试与评估：教授学生如何对金刚石聚晶进行性能测试，如硬度、耐磨性等，并分析测试结果。
纳米聚晶金刚石的研究进展
纳米聚晶金刚石的研究进展刘俊龙;李颖;王海阔;邵华丽【摘要】纳米聚晶金刚石(NPD)是由石墨在高温高压下直接转变而成的,具有良好的热稳定性、耐磨性、高于金刚石单晶的硬度,同时具有金刚石单晶所不具备的各向同性.NPD优良的力学性能及纳米尺度的微观结构又使其具有极高的加工精度和使用寿命,因而应用领域广泛.文章综述了NPD国内外最新的研究进展,重点论述了NPD的制备和结构性能,并在最后对NPD存在问题和发展方向进行了阐述和展望.【期刊名称】《超硬材料工程》【年(卷),期】2016(028)004【总页数】5页(P37-41)【关键词】纳米聚晶金刚石;高温高压;块体材料【作者】刘俊龙;李颖;王海阔;邵华丽【作者单位】河南工业大学材料科学与工程学院,郑州450001;河南工业大学材料科学与工程学院,郑州450001;河南工业大学材料科学与工程学院,郑州450001;河南工业大学材料科学与工程学院,郑州450001【正文语种】中文【中图分类】TQ164金刚石虽是最硬的天然材料,但金刚石单晶具有脆性,易沿111解理面破碎,已经商业化生产的聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond，简称PCD)虽没有这样的断裂特性和各向异性,但含有金属Co、Ni、SiC陶瓷等粘结剂，却直接影响聚晶金刚石的硬度、耐磨性和热稳定性[1]。
几种常见的天然聚晶金刚石如卡博纳多、巴拉斯等，可被用作地质钻头和切割工具，但这些天然材料中往往含有杂质，结构也不均匀，无法满足实际加工中的需要，所以急需一种具有均匀结构的高纯纳米聚晶金刚石。
仅含单一相的纳米聚晶金刚石(Nano-Polycrystalline Diamond，简称NPD)是由石墨(或其它碳源)在不添加任何烧结助剂的条件下经高温高压相变直接转变而得到的。
这种聚晶金刚石由均一的纳米颗粒组成，晶粒之间通过金刚石-金刚石直接成键连接而形成非常致密的结构[2,3]。
与单晶金刚石(Single Crystal Diamond，简称SCD)相比，NPD具有更高的硬度，室温下的努普硬度达到120～140 GPa，明显高于I型SCD，是PCD硬度的两倍多[1]。
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硅基聚晶金刚石的性能与物相分析
孙国平;刘磊;李亚辉;王井井;胡现芝
【摘要】对3种硅基聚晶金刚石的物理性能和物相结构进行了分析,研究了其在磨耗比、体积密度、显微硬度等性能方面的差别及在物相结构上的差异.研究发现,硅基聚晶金刚石的粘结剂主要为Si、Ti等碳化物形成元素,通过与金刚石反应可形成结合牢固的金刚石-碳化物复合材料.聚晶材料的性能受多种因素影响,石墨化和粘结剂残留等均会影响材料的整体结合能力,降低材料综合使用性能.
【期刊名称】《中原工学院学报》
【年(卷),期】2015(026)004
【总页数】3页(P77-79)
【关键词】聚晶金刚石(PCD);性能;物相分析
【作者】孙国平;刘磊;李亚辉;王井井;胡现芝
【作者单位】中原工学院,郑州450007;中原工学院,郑州450007;中原工学院,郑州450007;中原工学院,郑州450007;中原工学院,郑州450007
【正文语种】中文
【中图分类】TQ164
人造聚晶金刚石(polycrystalline diamond，简称PCD)的发展始于上个世纪60年代初期，是由人造金刚石微粉与粘结剂在高温高压环境下烧结而成的复合材料。
由于它克服了单晶金刚石的解理性及脆性，具有高硬度、高耐磨性和韧性，大大扩充了工业金刚石的应用领域。
随着现代合成工艺技术及合成设备的不断改进，聚晶
金刚石因其优异的性能已成为当代工业生产不可或缺的新材料之一，已广泛应用于地质与矿产钻探、非金属材料加工与有色金属切削等领域
[1-4]。
聚晶金刚石的性能与粘结剂关系密切，不同的粘结剂在聚晶烧结过程中的作用及存在形式有较大差异。
选用不同的粘结剂及控制粘结剂的加入量会获得不同性能的金刚石聚晶。
一类是以Co、Fe等触媒金属元素作为结合剂，金刚石颗粒在烧结过程中通过触媒金属的催化作用形成C-C键结合。
该类聚晶耐磨性好，但热稳定性较差；另一类是以Si、Ti等碳化物形成元素为结合剂，高温高压下在金刚石周围形成碳化物从而粘结在一起。
这类聚晶的磨耗与前者相比相对较低，但其耐热性大大提高。
针对不同的粘结剂及其对聚晶金刚石性能的影响，国内外学者进行了广泛深入的研究
[5-8]。
本文通过选取具有代表性的3种硅基聚晶金刚石坯料，对比研究它们的力学物理性能, 并分析粘结剂的物相结构，探讨影响硅基聚晶金刚石材料使用性能的因素，以期对硅基聚晶金刚石材料的合成机理研究和质量改进提供一定的实验数据和理论支持。
本实验选取市场上3种典型的硅基聚晶金刚石坯料作为研究对象，分别编号为样品A、样品B和样品C。
首先采用ZTPG250-1型聚晶超硬复合材料镜面抛光机进行抛光处理，然后利用体式显微镜观察其抛光面，并利用DHM-2型磨耗比测定仪、Vickers 402MVD型维氏硬度计和MDS-3000高精度电子密度计分别测量3种样品的磨耗比、显微硬度和体积密度，最后利用日本理学公司生产的UItima IV 型粉末多晶X射线衍射仪分析样品的物相结构。
2.1 PCD材料的磨耗比分析
在相同条件下，将PCD材料与标准碳化硅陶瓷砂轮在测定仪上相互摩擦，测量砂轮磨耗量与PCD磨耗量之比，分别对每种样品的磨耗比测试3次，取其平均值，如表1所示。
可以看出，3种硅基聚晶金刚石的磨耗比性能差异较大。
样品B的磨耗比值最大，约为8.8×10
4;样品A的磨耗比值最小，约为3.0×10
4。
这可能是由PCD合成工艺、金刚石粒度、粘结剂含量等多种因素造成的。
金刚石粒度不同，耐磨性也不同。
一般来说，金刚石粒度越细，耐磨性越高 [9]。
通过体式显微镜对3种样品的抛光面进行观察，可发现样品B中的金刚石微粉粒度最小，样品C的金刚石粒度最大。
通过XRD分析发现，样品A中含有残余的石墨，PCD在高温高压制备过程中金刚石表面会存在石墨化现象，硅基聚晶中的Si、Ti等成分可与石墨反应生成碳化物硬质粘结相，若石墨化的量过大，不足以反应完全，则会有残留的石墨存在。
因反应不充分样品C中残留的粘结剂Si和样品A中残留的石墨是导致二者较样品B磨耗比值低的原因之一。
2.2 PCD材料的密度与显微硬度分析
表2为3种PCD材料的体积密度和显微硬度比较，其中，样品A和B的密度相差不大，样品C的密度最低，为3.358 g/cm
3。
通过体式显微镜观察，3种PCD材料的抛光面上粘结相较均匀地分布在金刚石晶粒周围，颗粒之间无明显裂纹和孔洞。
样品C密度最低可能是因为其中含有未反应的粘结剂Si，使得金刚石颗粒之间结合能力下降。
利用维氏硬度计测量3种样品的显微硬度，压头所加载荷为19.6 N，加载时间为10 s，在样品表面测量3个点的硬度值，取其算术平均值作为该试样的硬度值。
结果显示，样品B 的显微硬度最高，达8 026 HV；样品A的显微硬度最低，为4 949 HV。
3种样
品的维氏显微硬度与磨耗比有相似的变化规律。
2.3 PCD材料的XRD物相分析
3种硅基PCD材料的X射线衍射分析结果如图1所示。
从图中可以看出，样品A 中的主要物相是金刚石和硬质粘结相SiC、TiC及少量残余的石墨; 样品B中的物
相主要是金刚石和粘结相SiC、TiC；样品C中除了金刚石和粘结相SiC外，还含
有少量的粘结剂Si残余。
聚晶金刚石在高温高压制备过程中添加的碳化物形成元
素与金刚石反应形成高强度、高熔点的物相，使金刚石颗粒烧结在一起。
结合耐磨性对比可知，样品A中的残留石墨和样品C中的残留粘结剂Si均会导致样品耐磨性和显微硬度降低，应在合成中尽量避免。
高温高压下，粘结剂Si和Ti先后熔融渗入金刚石颗粒的间隙中，并与金刚石反应生成硬质相SiC和TiC，从而形成结合牢固的金刚石-碳化物复合材料。
粘结相Si
和Ti反应不充分会使PCD中残留单质粘结剂，PCD合成工艺不稳定则会出现残
留的石墨，这些不利因素都会影响PCD的整体结合能力。
另外，烧结过程中聚晶金刚石颗粒中的应力也会局部集中，产生裂纹
[10]，降低材料的综合物理性能。
在选取的3种样品中，有2种含有残留石墨或单质粘结剂，说明目前市场上的同类产品质量还有待进一步改善。
因此，在制备硅基聚晶金刚石时，要注意优选粘结剂的含量和配比，改善高温高压合成工艺，以提高硅基聚晶金刚石的使用性能，扩展其应用领域。
通过对3种硅基聚晶金刚石物相结构及物理性能的对比分析可知,硅基聚晶的粘结
剂主要为碳化物形成元素Si、Ti等，通过与金刚石反应形成结合牢固的金刚石-碳化物复合材料。
硅基聚晶的耐磨性、显微硬度等性能受金刚石粒度、粘结剂含量及合成工艺等多种因素影响，若物相中存在单质粘结剂或石墨残留则会降低材料的综
合物理性能。
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Key words: polycrystalline diamond (PCD); property; phase analysis。