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超硬材料基础知识培训 翟世超 2008年8月30日 目录 希波尔主营业务超硬材料的定义及范畴金刚石的形貌特征金刚石的物理 化学性质金刚石产品的一般分类单晶金刚石聚晶金刚石CVD金刚石常见单位之间的换算常识 一 希波尔主营业务 原材料及来料加工 钻石刀轮及相关产品 各种超硬工具 CVD金刚石PCD PCBN刀具复合片PDC钻头复合片拉丝模芯激光切割 研磨抛光 打孔整形等 钻石刀轮 刀轴合金刀轮 刀轴刀轮架玻璃切割机 超硬刀具金刚石修整工具石材雕刻刀耐磨器件金刚石砂轮等 二 超硬材料的定义及范畴 超硬材料是指以金刚石为代表的具有很高硬度物质的总称 超硬材料的范畴虽没有一个严格的规定 但人们习惯上把金刚石和硬度接近于金刚石硬度的材料称为超硬材料 常见的超硬材料包括金刚石 立方氮化硼以及氮化碳 C3N4 等 今天 我们将重点对金刚石的特点 分类以及应用做以介绍 三 金刚石的形貌特征 化学成分 纯净的金刚石由碳元素组成 和石墨同属于碳的同素异型体 颜色 纯净的金刚石是无色透明的 实际常因含有各种杂质和结晶缺陷而呈现出不同的颜色 天然金刚石多呈现淡黄色 含杂质多的显示出灰绿色或者黑灰色 密度 金刚石的理论密度为3 515g cm3 在生产中 一般是通过实验测定堆积密度 金刚石的密度与堆积密度是两个不同的概念 人造金刚石的堆积密度一般在1 5 2 1g cm3之间 并且颗粒越规则 堆积密度越大 三 金刚石的形貌特征 立方体 正八面体 菱形十二面体 晶形 天然金刚石的晶体形态常见为八面体 其次为菱形十二面体 立方体及其聚形 人造金刚石根据合成条件的不同 晶形可分为八面体 立方体或者立方 八面体聚形等 其中以后一种最为常见 产品中常出现各种连生晶体 不规则晶体以及各种结晶缺陷 三 金刚石的形貌特征 1 立方体晶形 三 金刚石的形貌特征 2 正八面体晶形 三 金刚石的形貌特征 3 菱形十二面体晶形 四 金刚石的理化性质 硬度 金刚石是所有已知材料中最硬的物质 强度 金刚石也是目前已知的强度最高的材料 金刚石的强度受它所包含的包裹体 杂质结晶缺陷的影响很大 导热率 居所有已知材料之首 声速 金刚石的传播声速为所有材料最高滑动摩擦系数 比较小 与钢之间约为0 1 四 金刚石的理化性质 化学稳定性 在常温下 金刚石对一切酸碱盐 包括王水 等化学试剂都表现出很强的惰性 疏水性 金刚石对水不润湿 但容易粘油 热稳定性 金刚石的热稳定性与晶体的完整程度以及杂质含量有关 人造金刚石在空气中开始氧化的温度是740 840 部分在600 就开始氧化 石墨化现象 在真空或惰性气氛中 金刚石加热到某一高温时会发生石墨化现象 即发生向石墨的转变 过渡金属 尤其是黑色金属 的存在会加速金刚石的石墨化过程 因此 金刚石工具专门适合加工各种有色金属以及非金属材料 4 1几种常见材料的硬度比较 4 2几种常见热学材料的热导率 4 3几种红外窗口材料抗热冲击性对比 五 金刚石材料的一般分类 金刚石 单晶金刚石 聚晶金刚石 PCD CVD金刚石 合成工艺 高温高压法 爆炸法性能特点 各向异性应用范围 砂轮 锯片等领域最常见 合成工艺 高温高压法性能特点 各向同性应用范围 刀具 石油钻头 修整工具 拉丝模 耐磨器件等 合成工艺 化学气相沉积法性能特点 宏观一般为各向同性应用范围 刀具 修整工具 拉丝模 耐磨器件等 高品级CVD金刚石已经在电子器件 航空航天 精密制造等领域大放光彩 5 1两种常见压机的工作原理 六面顶压机 两面顶压机 该类型压机为中国市场的主流机型 该类型压机在西方国家广泛采用 5 2PCD的结构特点 金刚石晶粒呈无序排列 各向同性 无解理面可以制成大块工具坯料 比如刀头 模芯等 可以采用电火花 激光切割等多种技术进行加工 为了增加材料的抗冲击性和可焊接性 很多PCD材料往往带有硬质合金衬底 如上图所示 5 3希波尔PCD产品 PCD复合片 激光切好的PCD刀头 PCD可转位刀具 焊接式PCD刀具 石材雕刻刀 5 3希波尔PCD产品 PCD复合片镜面抛光 PDC钻头复合片 轴承支撑器 轴承支撑器 5 3希波尔PCD产品 CXT金刚石条 金刚石砂轮修整笔 金刚石砂轮修整笔 PCD拉丝模芯 钻石刀轮 钻石刀轴 5 4CVD CVD金刚石 CVD是ChemicalVaporDeposition的英文缩写 中文含义是化学气相沉积 它是指在高温低压条件下 利用气相之间的化学反应 在基体表面形成一种新的材料 化学气相沉积工艺在切削工具 模具 半导体工业 耐磨器件等方面获得了广泛应用 该工艺能有效地提高制品的表面硬度和复合韧性 提高其耐磨损和抗高温氧化等力学性能和化学性能 从而可以大幅度地提高硬质涂层制品的使用寿命和生产效率 具有十分重大的技术经济效益 5 4CVD CVD金刚石 5 5CVD金刚石的制备原理 含碳气体和氢气的混合物在高温和低于标准大气压的压力下被激发分解 形成活性金刚石碳原子 并在基体上沉积交互生长成聚晶金刚石 或控制沉积生长条件沉积生长金刚石单晶或者准单晶 5 6CVD金刚石的特点和分类 由于CVD金刚石中不含任何金属催化剂 因此它的热稳定性接近天然金刚石 同高温高压人工合成聚晶金刚石 PCD 一样 CVD金刚石晶粒也呈无序排列 无脆性解理面 因此呈现各向同性 CVD金刚石一般分为两类 1 CVD金刚石工具涂层 它是将金刚石膜直接沉积到工具表面上 厚度较薄 一般为微米数量级 我们又称之为CVD金刚石薄膜 2 CVD金刚石厚膜 一般是将生长的金刚石膜剥离下来 然后重新加以切割 研磨 并制成工具 该类金刚石厚度一般大于0 2毫米 希波尔目前生产的CVD金刚石就属于该类产品 5 7希波尔CVD金刚石产品 CVD金刚石磨粒 CVD金刚石条 CVD金刚石修整工具 拉丝模芯 CVD金刚石刀头 高功率CO2激光器光学窗口 5 8国外CVD金刚石的前沿应用 待续 附录换算常识 1克拉 0 2克 克拉是最初用作宝石的重量单位 1克拉等于0 2克或200毫克 1克拉又分为100分 如50分即0 5克拉 除了珠宝行业之