超硬材料基礎(chǔ)知識培訓(xùn)(一)yd1(1)

1、超硬材料基礎(chǔ)知識培訓(xùn)超硬材料基礎(chǔ)知識培訓(xùn)賀敬宗2012年4月16日目 錄 主營業(yè)務(wù) 超硬材料的定義及范疇 金剛石的形貌特征 金剛石的物理、化學(xué)性質(zhì) 金剛石產(chǎn)品的一般分類 單晶金剛石 聚晶金剛石 CVD金剛石 常見單位之間的換算常識一、超硬材料的定義及范疇超硬材料是指以金剛石為代表的具有很高硬度物質(zhì)的總稱。超硬材料的范疇雖沒有一個嚴格的規(guī)定，但人們習(xí)慣上把金剛石和硬度接近于金剛石硬度的材料稱為超硬材料。常見的超硬材料包括金剛石、立方氮化硼以及氮化碳(C3N4)等。今天，我們將重點對金剛石的特點、分類以及應(yīng)用做以介紹。二、金剛石的形貌特征化學(xué)成分：純凈的金剛石由碳元素組成，和石墨同屬于碳的同素異型

2、體。顏色：純凈的金剛石是無色透明的，實際常因含有各種雜質(zhì)和結(jié)晶缺陷而呈現(xiàn)出不同的顏色。天然金剛石多呈現(xiàn)淡黃色，含雜質(zhì)多的顯示出灰綠色或者黑灰色。密度：金剛石的理論密度為3.515g/cm3。在生產(chǎn)中，一般是通過實驗測定堆積密度。金剛石的密度與堆積密度是兩個不同的概念，人造金剛石的堆積密度一般在1.52.1 g/cm3之間，并且顆粒越規(guī)則，堆積密度越大。二、金剛石的形貌特征立方體正八面體菱形十二面體晶形：天然金剛石的晶體形態(tài)常見為八面體，其次為菱形十二面體、立方體及其聚形。人造金剛石根據(jù)合成條件的不同，晶形可分為八面體、立方體或者立方、八面體聚形等，其中以后一種最為常見。產(chǎn)品中常出現(xiàn)各種連生晶體

3、，不規(guī)則晶體以及各種結(jié)晶缺陷。二、金剛石的形貌特征（1）立方體晶形二、金剛石的形貌特征（2）正八面體晶形二、金剛石的形貌特征（3）菱形十二面體晶形三、金剛石的理化性質(zhì)硬度：金剛石是所有已知材料中最硬的物質(zhì)。強度：金剛石也是目前已知的強度最高的材料。金剛石的強度受它所包含的包裹體、雜質(zhì)結(jié)晶缺陷的影響很大。導(dǎo)熱率：居所有已知材料之首。聲速：金剛石的傳播聲速為所有材料最高滑動摩擦系數(shù)：比較小，與鋼之間約為0.1。三、金剛石的理化性質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性：在常溫下，金剛石對一切酸堿鹽（包括王水）等化學(xué)試劑都表現(xiàn)出很強的惰性。疏水性：金剛石對水不潤濕，但容易粘油。熱穩(wěn)定性：金剛石的熱穩(wěn)定性與晶體的完整程度以及雜質(zhì)

4、含量有關(guān)。人造金剛石在空氣中開始氧化的溫度是740840，部分在600就開始氧化。石墨化現(xiàn)象：金剛石加熱到某一高溫時會發(fā)生石墨化現(xiàn)象，即發(fā)生向石墨的轉(zhuǎn)變。過渡金屬（尤其是黑色金屬）的存在會加速金剛石的石墨化過程。因因此，金剛石工具專門適合加工各種有色金屬以及非此，金剛石工具專門適合加工各種有色金屬以及非金屬材料。金屬材料。3.1 幾種常見材料的硬度比較3.2 幾種常見熱學(xué)材料的熱導(dǎo)率3.3 幾種紅外窗口材料抗熱沖擊性對比四、金剛石材料的一般分類金剛石單晶金剛石聚晶金剛石（PCD）CVD金剛石合成工藝：高溫高壓法、爆炸法性能特點：各向異性應(yīng)用范圍：砂輪、鋸片等領(lǐng)域最常見合成工藝：高溫高壓法性能特

5、點：各向同性應(yīng)用范圍：刀具、石油鉆頭、修整工具、拉絲模、耐磨器件等合成工藝：化學(xué)氣相沉積法性能特點：宏觀一般為各向同性應(yīng)用范圍：刀具、修整工具、拉絲模、耐磨器件等，高品級CVD金剛石已經(jīng)在電子器件、航空航天、精密制造等領(lǐng)域大放光彩4.1 兩種常見壓機的工作原理六面頂壓機兩面頂壓機該類型壓機為中國市場的主流機型該類型壓機在西方國家廣泛采用4.2 PCD的結(jié)構(gòu)特點金剛石晶粒呈無序排列，各向同性，無解理面可以制成大塊工具坯料（比如刀頭、模芯等）可以采用電火花、激光切割等多種技術(shù)進行加工為了增加材料的抗沖擊性和可焊接性，很多PCD材料往往帶有硬質(zhì)合金襯底，如上圖所示。4.3 PCD產(chǎn)品PCD復(fù)合片激光

6、切好的PCD刀頭PCD可轉(zhuǎn)位刀具焊接式PCD刀具石材雕刻刀4.3 PCD產(chǎn)品PCD復(fù)合片鏡面拋光PDC鉆頭復(fù)合片軸承支撐器軸承支撐器4.3 PCD產(chǎn)品金剛石條金剛石砂輪修整筆金剛石砂輪修整筆PCD拉絲模芯鉆石刀輪鉆石刀軸4.4 CVDCVD金剛石CVD是Chemical Vapor Deposition的英文縮寫，中文含義是化學(xué)氣相沉積。它是指在高溫低壓條件下，利用氣相之間的化學(xué)反應(yīng)，在基體表面形成一種新的材料?；瘜W(xué)氣相沉積工藝在切削工具、模具、半導(dǎo)體工業(yè)、耐磨器件等方面獲得了廣泛應(yīng)用。該工藝能有效地提高制品的表面硬度和復(fù)合韌性，提高其耐磨損和抗高溫氧化等力學(xué)性能和化學(xué)性能，從而可以大幅度地提

7、高硬質(zhì)涂層制品的使用壽命和生產(chǎn)效率，具有十分重大的技術(shù)經(jīng)濟效益。4.4 CVDCVD金剛石4.5 CVD金剛石的制備原理含碳氣體和氫氣的混合物在高溫和低于標準大氣壓的壓力下被激發(fā)分解，形成活性金剛石碳原子，并在基體上沉積交互生長成聚晶金剛石（或控制沉積生長條件沉積生長金剛石單晶或者準單晶）。4.6 CVD金剛石的特點和分類由于CVD金剛石中不含任何金屬催化劑，因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石。同高溫高壓人工合成聚晶金剛石（PCD）一樣，CVD金剛石晶粒也呈無序排列，無脆性解理面，因此呈現(xiàn)各向同性。 CVD金剛石一般分為兩類：（1）CVD金剛石工具涂層。它是將金剛石膜直接沉積到工具表面上，厚度較薄，一般為微米數(shù)量級，我們又稱之為CVD金剛石薄膜。（2） CVD金剛石厚膜。一般是將生長的金剛石膜剝離下來，然后重新加以切割、研磨，并制成工具。該類金剛石厚度一般大于0.2毫米。希波爾目前生產(chǎn)的CVD金剛石就屬于該類產(chǎn)品。4.7 CVD金剛石產(chǎn)品CVD金剛石磨粒CVD金剛石條CVD金剛石修整工具拉絲模芯CVD金剛石刀頭高功率CO2激光器光學(xué)窗口4.8 國外CVD金剛石的前沿應(yīng)用（待續(xù)）附錄 換算常識1克拉=0.2克克拉是最初用作寶石的重量單位，1克拉等于0.2克或200毫克。1克拉又分為100分，如50分即0.5克拉。除了珠寶行業(yè)之外，克拉在工業(yè)用單晶金剛石