立方氮化硼PPT课件

1、 超硬材料 ：主要指金刚石、立方氮化硼；显微硬度30GPa的材料 硬度有各种表示方法 超硬材料学：是研究超硬材料组成、结构、工艺、性质和使用性能之间相互关系的学科，为超硬材料设计、制造、工艺优化和合理使用提供科学依据。第1页/共36页1 超硬材料发展概述 超硬材料发展史 人造金刚石制备方法综述 新型超硬材料的研发 超硬材料展望第2页/共36页1.1 超硬材料发展史 金刚石 、立方氮化硼cubic boron nitride、新型超硬材料第3页/共36页 根据来源不同: 可以分为天然和人工合成两类。第4页/共36页 （1）金刚石概述 钻石是主要由碳元素组成的等轴晶系天然矿物，摩氏硬度10，密度3

2、.52(0.01) g/cm3，折射率2.417，色散0.044。(国家标准） “使用钻石名词不考虑产地。”（国家标准） 钻石被称为宝石之王 钻石占宝石总销售额的80%。 金刚石最早首先发现于印度（公元前30005000年）第5页/共36页重量（克拉）重量（克拉） 简介简介 “库利南库利南”（非洲之星非洲之星）世界上最大的金刚石世界上最大的金刚石，于于年在南非普列姆耶尔矿挖年在南非普列姆耶尔矿挖掘的掘的。被分割后称为被分割后称为“非洲之星非洲之星”。其中两块分别镶嵌在英国女王的权杖和王冠尖顶之上。其中两块分别镶嵌在英国女王的权杖和王冠尖顶之上。年在南非普列姆耶尔矿区又发现了一块重年在南非普列姆

3、耶尔矿区又发现了一块重克拉的金刚石克拉的金刚石，鉴赏家根据它鉴赏家根据它的形状和颜色的形状和颜色，反复对比研究后确定反复对比研究后确定：它应该与它应该与“库里南库里南”同为一个晶体同为一个晶体。果真如此果真如此，“库利库利南南”原重应是原重应是克拉克拉。 “爱克斯采里希奥尔爱克斯采里希奥尔”琢磨前重量为琢磨前重量为克拉克拉，是是年在南非的雅格尔年在南非的雅格尔斯丰顿矿上出土的斯丰顿矿上出土的。年元月年元月，在塞拉利昂某矿找到一颗重在塞拉利昂某矿找到一颗重克拉的金刚石克拉的金刚石。 “瓦尔加斯瓦尔加斯”在琢磨前重为在琢磨前重为克拉克拉，它是它是年在巴西发现的年在巴西发现的。 “德查坎尔德查坎尔”

4、琢磨前重为琢磨前重为克拉克拉。这颗金刚石是这颗金刚石是年在距普列姆耶尔矿不年在距普列姆耶尔矿不远的冲积矿中找到的远的冲积矿中找到的。钻石钻石“纪念纪念”琢磨前重量为琢磨前重量为克拉克拉，是是年在雅格尔斯丰顿矿上找到的年在雅格尔斯丰顿矿上找到的。599年南非普列姆耶尔发现了该矿区第三颗大金刚石年南非普列姆耶尔发现了该矿区第三颗大金刚石，重达重达克拉克拉。年佩特拉公司在库里南发现一颗重达年佩特拉公司在库里南发现一颗重达克拉金刚石克拉金刚石。“奥尔洛夫奥尔洛夫”原重近原重近克拉克拉，琢磨后的重量为琢磨后的重量为克拉克拉。估计在估计在世纪初世纪初发现于印度发现于印度。俄罗斯雅库特金刚石仓库中俄罗斯雅库

5、特金刚石仓库中，保存一枚重达保存一枚重达克拉金刚石克拉金刚石，发现年代不详发现年代不详。“金鸡钻石金鸡钻石”重重克拉克拉，黄金色金刚石黄金色金刚石，于于年年月山东郯城金鸡岭发月山东郯城金鸡岭发现现。第6页/共36页 美国全国广播公司报道，年月日在库里南矿区发现一枚重达克拉金刚石。“科依努尔”在第一次琢磨后的重量为克拉。在第二次琢磨后的重量为克拉，它的历史，估计是从年开始的。 “常林钻石”重量克拉，年月山东临沐县常林村发现。年月日环球时报报道，在苏联雅库特发现一颗重达克拉金刚石。 “摄政王”（或称“皮特”）琢磨成形后的重量为克拉，它是年在印度找到的。，年月日德国明镜网站报道，南非金伯利市北部采掘

6、出五颗金刚石，其中最重的为克拉的白色金刚石，其它分别为克拉，克拉，克拉和克拉。 “佛罗萨”（或称“澳大利亚金刚石”）琢磨成型后的重量为克拉。 “契非尼”琢磨成型后的重量为克拉，年出于金伯利矿。 “南方之星”琢磨成型后的重量为克拉，年在巴西寻找到的。 “陈埠一号”克拉，年月山东郯城陈埠发现。 英国每日邮报年月日报道，南非库里南矿发现一枚克拉蓝色金刚石。 “蒙山一号”克拉，年月山东蒙阴发现。年前后湖南常德地区发现一颗克拉金刚石。 “岚崮一号”克拉，年前后发现于辽宁复县瓦房店。 “岚崮二号”克拉，年前后发现于辽宁复县瓦房店。 “岚崮三号”克拉，年前后发现于辽宁复县瓦房店。 中新网年月日报道，库里南矿

7、区找到一颗克拉蓝色金刚石。年在库里南矿区找到一颗_克拉蓝色金刚石。第7页/共36页 世界最大的首饰级金刚石是1905年在南非发现的“库利南”，重3106克拉（成年男子拳头大小）。1907年12月9日，南非德兰士瓦地方政府将库里南赠送给了英王爱德华三世（用15万英磅收购的）作为生日礼物。让荷兰阿姆斯特丹的阿斯查尔公司加工的，琢磨费时8个月，加工费8万英磅，库利南加工成9颗大钻，96颗小钻，总重1063.65克拉，约为原石重的1/3，其中最大的一颗钻石叫“库利南”，或“非洲之星”为具64个刻面的梨形钻石， 重为530.20ct，为现今世界已知的最大钻石，镶嵌在英国国王的王杖上。第8页/共36页库利

8、南库利南英王权杖英王权杖第9页/共36页库里南库里南英国王冠英国王冠第10页/共36页 我国发现的最大的金刚石是“金鸡”钻石，重281.25ct，于1940年春，在山东临沂县，由农民罗建邦发现（已失传）。 1977年12月21日山东省临沂县岌山乡常林村魏振芳发现常林钻石，重158.786ct，淡黄色，曲面八面体与菱形十二面体的聚形。第11页/共36页第12页/共36页（2）金刚石的研究）金刚石的研究1649年，年，Florence院士的研究：神秘消失院士的研究：神秘消失法国化学家法国化学家Lavoisier:可燃性物质可燃性物质1797年，英国化学家年，英国化学家Tennant:金刚石纯碳金刚

9、石纯碳第13页/共36页 天然金刚石是怎样形成的？ 金刚石是在高温、高压下，碳元素的分子结构经过一系列的反应（例如在火山中，碳元素在地底经过高压、高温方可形成），而形成了一种更稳定的分子结构。它的硬度极高，形态结构极稳定。 天然金刚石的形成和发现极为不易，它是碳在地球深部高温高压的特殊条件下（地下190300 km，压力57 GPa，1 2001 800）历经亿万年的“苦修”转化而成的。 由于地壳的运动，它们从地球的深处来到地表，原生于金伯利岩中，除金刚石外，金伯利岩中还可含镁铝榴石和贵橄榄石。 金伯利岩属于岩浆型矿床，金刚石晶体不均匀地散布在金伯利岩的基质中，以小晶体为主，平均重量为百分之几

10、克拉到十分之几克拉，实际选矿回收的是大小在0.5mm以上的金刚石颗粒。 最大的含金刚石的金伯利岩矿床位于赤道非洲和南部非洲。 金伯利岩，又称蓝地，是一种深色的、重的、常常经过蚀变和角砾化的（破碎的）侵入岩，是已知的唯一在母岩中找到原生金刚石的岩石。 第14页/共36页（3） 人造金刚石的研究与生产进展 从19世纪20年代，各国科学家都在努力合成金刚石 1820年左右，俄、法、科学家的努力 1880，英国Hannay得到12颗细粒度金刚石 1894，法国科学家Moissan的实验，得到硬质结晶体 1890-1930,英国parsons,对前人的实验进行重复，不能重复前人的结果。第15页/共36页

11、 金刚石的转变条件：超高压高温 1901年，Roozrboom发表 碳的压力-温度状态图 1938年D-G平衡线 1939年、1947年 解决了合成金刚石的理论问题第16页/共36页 美国通用电气公司：1951-1954用（Belt）年轮式合成金刚石成功，1955年报道 转向生产 1963年以前GE公司在13GPa下，瞬间实现单晶石墨像金刚石的转变 1966年，Du Pont公司，用爆炸法合成人造金刚石 1970年,GE公司合成宝石级单晶（4）成功实现金刚石的合成）成功实现金刚石的合成第17页/共36页 1958年，De Beers 公司在南非合成第一颗单晶，迅速实现工业化. 1961年，原苏

12、联高压物理研究所成功合成金刚石。 1962年，原乌克兰科学院超硬材料研究所成功合成金刚石。 向生产化迅速推进第18页/共36页（5） 中国超硬材料（金刚石）的发展 1960年10月下达任务 1963年在两面砧超高压装置下：7.8GPa,1375-1550 . 合成金刚石开发六面顶压机1964.4开始设计、1965.8安装完成；1966.7投入合成工艺试验第19页/共36页第20页/共36页时间时间超硬材料超硬材料公司公司方法方法用途用途19541954人造金刚石人造金刚石GEGE高温高压高温高压磨料磨料19571957立方氮化硼立方氮化硼GEGE高温高压高温高压磨料磨料19771977PCDP

13、CD，PCBNGEGE高温高压高温高压刀具刀具19881988纳米金刚石纳米金刚石爆炸法爆炸法刀具刀具19951995人造单晶金刚石人造单晶金刚石刀具刀具人造单晶人造单晶CBN刀具刀具类金刚石膜类金刚石膜刀具刀具金刚石薄膜金刚石薄膜刀具刀具金刚石厚膜金刚石厚膜刀具刀具第21页/共36页1.2 合成金刚石的方法简介 静态高温高压法 动态高温高压法 静压法、爆炸法、液中放电法、气象外延生长法、液相外延生长法、CVD法、PVD法、机械球磨法、磁控溅射法、激光法等等。 静压法、爆炸法和CVD法实现了规模化生产第22页/共36页 1.3 立方氮化硼的发展 自然界不存在，人工合成 1957年，GE公司首次

14、合成 1960年，原苏联高压物理研究所成功合成第23页/共36页1.4 金刚石聚晶 金刚石聚晶多晶金刚石：由细小金刚聚集而成的一类产品的统称。由优质人造金刚石微粉加一定数量的粘结剂在超高压高温下烧结而成 GE公司，60年代投入研究，70年代投入生产第24页/共36页第25页/共36页其它超硬材料 硼化铝：烧结体 碳化硼： 人造白炭 新型超硬材料：硼、碳、氮化合物第26页/共36页1.5 新型超硬材料的研发 从上世纪80 至90 年代后不断报道研制出更硬的、 超过金刚石的新材料。 寻找与金刚石硬度相近的新型超硬材料一直是一个极具挑战性的研究课题, 特别是硼、碳、 氮元素构成的化合物被认为是潜在的

15、超硬材料。到目前为止, 只有CBN 能够与金刚石相媲美。 经过长时间的探索,人们发现可以从晶体化学角度解决该问题:构建具有较小摩尔体积、 键长短、 键能高的共价材料, 这或许是今后有可能取得进展的方法。第27页/共36页新型亚超硬超硬材料1.B- C- N 体系超硬材料 金刚石的硬度比CBN 高, 适于加工非金属脆硬材料, CBN 的热稳定性和化学惰性优于金刚石, 适于加工铁系淬硬金属。 第三代超硬材料立方BCN , 人们试图合成类金刚石结构的BCN。由于C- N 键长比金刚石中的C- C 键长短及具有金属性的BC3 和BC5 化合物的成功合成,这就进一步推动了在B- C- N 体系中寻找超硬

16、材料。第28页/共36页BxO 型超硬材料 在已知物质中, 硼的摩尔体积( 5cm3) 与金刚石( 3. 4cm3)和立方BN ( 3. 5cm3) 最为接近。 硼的热力学稳定形式菱形, 硼是由二十面体组成的具有疏松密堆积结构的复杂晶体,由于其缺电子结构,将氧溶入B 所得的填隙化合物会更加致密、 强度也更高。 基于硼的超硬材料就引起人们的关注。虽然硼通常为+ 3 价,但在适当条件下也可形成价态低于+ 3 的B/ O 二元化合物BxO ( x = 222),这类物质通常称为富硼氧化物或氧化亚硼,其中研究最多的是B2O、 B6O、 B7O 和B13O2 等.第29页/共36页其他新型超硬材料 近年

17、来过渡金属与轻元素( B、 C、 N、 O)形成的化合物已经成为B- C- N - O 体系外寻找超硬材料的一个新领域。 最近实验上成功合成了WB4, 且其硬度测量值达到46GPa。 特点：可形成sp、sp2、sp3杂化轨道，其同素异构体和化合物种类繁多，成键类型复杂。易形成高键密度或电子密度、短键长和小离子性化合物。 合成困难：高温高压 （形成 sp3键）第30页/共36页1.6 超硬材料的主要用途 金刚石磨具 金刚石锯切工具 金刚石刀具 金刚石钻头第31页/共36页第32页/共36页1.7超硬材料的展望 超硬材料的发展趋势也表明超硬材料具有很好的发展前景，它主要表现为： (1) 随着原材料

18、制备、 新型结合剂、 专用生产设备、 检测仪器等技术的不断完善， 超硬材料制品的制造技术水平将会大幅度提高， 新品种将不断涌现， 具有高速度、 高厚度、 超薄、 复杂型面等特点的产品将会朝更高水平继续发展， 产品质量将明显提高。 (2) 超硬材料制品将向系列化、 标准化、 专业化方向发展， 各生产企业将形成各自的产品特色。 (3)超硬材料制品的应用技术， 包括数控机床、 修整技术、专用磨削液等将得到发展和完善。第33页/共36页 (4)超硬材料制品的应用领域将逐渐扩大， 在汽车、计算机、 微电子、光电子、通讯、家电、 新型陶瓷等产业领域将得到更多的应用，CBN 制品将会得到更大的普及和发展。 (5) 随着世界制造业中心向中国的转移， 我国超硬材料制品在未来10 年中将会得到迅速发展， 不但产量将跃居世界前列， 而且技术水平也将进入世界强国行列。 总之， 金刚石和超硬材料由于性能优越， 应