本發(fā)明涉及超硬材料領(lǐng)域，具體的說，涉及了一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：聚晶材料中的立方氮化硼、金剛石等材料因其耐熱性能好、化學(xué)惰性強(qiáng)且具有較高的硬度、較好的導(dǎo)熱率，被廣泛用于刀具行業(yè)。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，對(duì)刀具材料的硬度、耐磨性、韌性和強(qiáng)度的要求提出了更高的要求，理想的刀具材料應(yīng)既具有極高的硬度、耐磨性，有利于提高切削效率，有利于延長(zhǎng)刀具耐用度，同時(shí)又要具有好的抗沖擊韌性，使得其能夠承受大的切削力。同時(shí)，在利用聚晶材料和硬質(zhì)合金基體在高溫高壓燒結(jié)制備產(chǎn)品時(shí)，聚晶材料經(jīng)歷了聚晶材料破碎和再結(jié)晶長(zhǎng)大、鈷等在聚晶材料層中的擴(kuò)散熔滲遷移等過程，處于聚晶材料間隙處的粘接劑的脆性和熱脹冷縮及其氧化是聚晶材料制品沖擊破壞的源頭和熱穩(wěn)定性下降的主要因素。而納米碳材料中的多壁碳納米管通常直徑在0.3nm到幾十納米之間，長(zhǎng)度可達(dá)幾十微米，是兩端封閉的富勒烯管，具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能和物理特性：彈性應(yīng)變可達(dá)12%，彈性模量超過1.8×106MPa，彎曲強(qiáng)度為1.42×107MPa，長(zhǎng)度超過10nm時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)依然可以達(dá)到2800w/m·K，同時(shí)多壁碳納米管在高溫高壓下很難轉(zhuǎn)變成金剛石，其管狀結(jié)構(gòu)在壓力5GPa～6GPa、溫度1450℃仍然能夠保留下來。因此中國(guó)專利CN102268619B公開了一種多壁碳納米管增強(qiáng)金剛石復(fù)合片材料的制備方法，該方法采用半濕混使多壁碳納米管與金剛石微粉以及粘接劑等彌散地均勻地混合在一起成為聚晶金剛石層的原材料，將它與硬質(zhì)合金基體通過高溫高壓燒結(jié)工藝和適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囍圃斐蔀槎啾谔技{米管增強(qiáng)的PDC，制得的產(chǎn)品相對(duì)于未增強(qiáng)處理的聚晶材料制品在抗沖擊韌性和耐磨性上有所提高，但上述方法依然采用含有金屬或金屬氧化物的粘結(jié)劑進(jìn)行合成，產(chǎn)品依然存在因熱穩(wěn)定性問題出現(xiàn)的微裂紋或脫層現(xiàn)象，同時(shí)該方法對(duì)合成工藝要求較為嚴(yán)格，限制了大批量生產(chǎn)。為了解決以上存在的問題，人們一直在尋求一種理想的技術(shù)解決方案。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，從而提供一種為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的制備方法，其制備步驟包括：將納米碳材料與超硬材料微粉混合制得復(fù)合粉體，然后對(duì)所述復(fù)合粉體進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)處理，制得納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料?；谏鲜觯龀膊牧衔⒎蹫榧{米金剛石或納米立方氮化硼，且粒度為8nm～60nm?；谏鲜?，對(duì)所述復(fù)合粉體進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)處理的步驟包括：將所述復(fù)合粉體置于石墨模具中，以80℃/min～100℃/min的升溫速率在1150℃～1350℃的燒結(jié)溫度和30MPa～100MPa的燒結(jié)壓力下進(jìn)行放電等離子燒結(jié)5min～30min，自然冷卻從而制得所述納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料?；谏鲜?，制得所述復(fù)合粉體的步驟包括：在超聲波的作用下，先將所述納米碳材料分散到分散溶液中，得到前軀體溶液；然后在超聲波和機(jī)械攪拌的共同作用下，再將所述超硬材料微粉分散在所述前軀體溶液中制得納米粉體混合液；最后將所述納米粉體混合液干燥處理制得所述復(fù)合粉體；其中，所述分散溶液為無水乙醇或去離子水?；谏鲜觯?dāng)所述納米碳材料為多壁碳納米管時(shí)，制得所述復(fù)合粉體的步驟還包括：對(duì)所述納米粉體混合液先進(jìn)行球磨混合8h～10h，再進(jìn)行真空干燥處理，從而得到所述復(fù)合粉體，其中在所述復(fù)合粉體中所述多壁碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0%小于等于5%。基于上述，當(dāng)所述納米碳材料為石墨烯時(shí)，在制得所述復(fù)合粉體的步驟中，控制所述復(fù)合粉體中所述石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%小于等于15%；且在對(duì)所述復(fù)合粉體進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)處理時(shí)，燒結(jié)處理的燒結(jié)溫度為1200℃～1350℃。基于上述，所述石墨烯的層數(shù)為1層～10層、厚度為0.55nm～3.74nm?；谏鲜觯?dāng)所述納米碳材料為多壁碳納米管時(shí)，對(duì)所述復(fù)合粉體進(jìn)行放電等離子體燒結(jié)的燒結(jié)溫度為1150℃～1300℃?；谏鲜?，所述多壁碳納米管直徑為10nm～60nm、長(zhǎng)度為5微米～100微米。本發(fā)明還提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的應(yīng)用，它作為增強(qiáng)體與基體材料復(fù)合，應(yīng)用于超硬切削和磨削工具中；所述基體材料為硬質(zhì)合金或金屬材料。本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，具體的說，本發(fā)明利用具有高韌性、高穩(wěn)定性的納米碳材料為燒結(jié)粉體，利用納米粉體獨(dú)特的表面效應(yīng)實(shí)現(xiàn)顆粒間的致密燒結(jié)；同時(shí)放電等離子燒結(jié)時(shí)，由于納米碳材料本身具有的導(dǎo)電性加速了脈沖電流在納米粉體間的傳導(dǎo)，由脈沖電流通電、斷電產(chǎn)生的等離子體能夠擊穿孔隙內(nèi)殘留氣體局部放電，從而激活納米粉體表面，使其相互之間發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過一定的保溫時(shí)間形成具有化學(xué)結(jié)合的燒結(jié)界面。另一方面，在燒結(jié)體中納米碳材料分布于超硬材料間隙處，能夠在空間內(nèi)呈現(xiàn)立體網(wǎng)狀分布的、作為具有高導(dǎo)熱率的增韌相，使得裂紋在擴(kuò)展時(shí)發(fā)生擇向或偏轉(zhuǎn)，降低了裂紋擴(kuò)展能，從而提高了該超硬材料的韌性、抗壓強(qiáng)度和耐磨性能。該制備方法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、原料易得。具體實(shí)施方式下面通過具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。實(shí)施例1本實(shí)施例提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的制備方法，原料中所述超硬材料微粉為粒度8nm～20nm的立方氮化硼納米粉體；所述納米碳材料為具有1層～10層結(jié)構(gòu)的石墨烯，且所述1層～10層結(jié)構(gòu)的石墨烯平均厚度為3.74nm。該方法具體包括以下步驟：復(fù)合粉體的制備：在超聲波的作用，先將石墨烯分散在去離子水中制得前軀體溶液，然后在超聲波和機(jī)械攪拌的共同作用下，向所述前軀體溶液中加入粒度為8nm～20nm的立方氮化硼納米粉體進(jìn)行分散處理從而制得石墨烯/納米立方氮化硼混合溶液；對(duì)所述石墨烯/納米立方氮化硼混合溶液冷凍干燥24h處理得到混合干燥的復(fù)合粉體，其中控制所述石墨烯的質(zhì)量為所述復(fù)合粉體質(zhì)量的5%。復(fù)合粉體的放電等離子體燒結(jié)：將所述石墨烯/納米立方氮化硼復(fù)合粉體裝入石墨模具中，以100℃/min的升溫速率，在1350℃燒結(jié)溫度和50MPa的燒結(jié)壓力下進(jìn)行放電等離子燒結(jié)10min，自然冷卻從而制得石墨烯增強(qiáng)納米立方氮化硼復(fù)合材料，制得的復(fù)合材料標(biāo)記為1＃。本實(shí)施例還提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的應(yīng)用，它作為增強(qiáng)體與硬質(zhì)合金復(fù)合，應(yīng)用于制備超硬切削工具。實(shí)施例2本實(shí)施例提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的制備方法，原料中所述超硬材料微粉為粒度10nm～30nm的立方氮化硼納米粉體；所述納米碳材料為具有1層～10層結(jié)構(gòu)的石墨烯，且所述1層～10層結(jié)構(gòu)的石墨烯平均厚度為3.5nm。該方法具體制備步驟與實(shí)施例1中的大致相同，不同之處在于：所述復(fù)合粉體的制備步驟中，控制所述石墨烯的質(zhì)量為所述復(fù)合粉體質(zhì)量的10%，制得的復(fù)合材料標(biāo)記為2＃。本實(shí)施例還提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的應(yīng)用，它作為增強(qiáng)體與硬質(zhì)合金復(fù)合，應(yīng)用于制備超硬磨削工具。實(shí)施例3本實(shí)施例提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的制備方法，原料中所述納米碳材料為具有1層～10層結(jié)構(gòu)的石墨烯，且所述1層～10層結(jié)構(gòu)的石墨烯平均厚度為3.55nm、所述超硬材料微粉為粒度30nm～60nm的納米金剛石粉體。具體制備步驟與實(shí)施例1中的大致相同，不同之處在于：所述復(fù)合粉體的制備步驟中，控制所述石墨烯的質(zhì)量為所述復(fù)合粉體質(zhì)量的5%，制得的復(fù)合材料標(biāo)記為3＃。本實(shí)施例還提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的應(yīng)用，它作為增強(qiáng)體與硬質(zhì)合金復(fù)合，應(yīng)用于制備超硬磨削工具。實(shí)施例4本實(shí)施例提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的制備方法，原料中所述納米碳材料為直徑10nm～20nm、長(zhǎng)度5微米～20微米的多壁碳納米管、所述超硬材料微粉為粒度20nm～50nm立方氮化硼納米粉體，具體制備步驟包括：復(fù)合粉體的制備：在超聲波的作用，先將多壁碳納米管分散在無水乙醇中，然后在超聲波和機(jī)械攪拌的共同作用下，向所述前軀體溶液中加入粒度為20nm～50nm立方氮化硼納米粉體進(jìn)行超聲分散2h，從而制得多壁碳納米管/納米立方氮化硼混合溶液。采用全方位行星球磨機(jī)對(duì)所述多壁碳納米管/納米立方氮化硼混合溶液進(jìn)行球磨混合12h后置于60℃溫度下真空干燥12h，得到混合干燥好的復(fù)合粉體。其中控制所述多壁碳納米管的質(zhì)量為所述復(fù)合粉體質(zhì)量的1%；球磨機(jī)轉(zhuǎn)速800r/min、球料質(zhì)量比5∶1。復(fù)合粉體的放電等離子體燒結(jié)：將所述多壁碳納米管/納米立方氮化硼復(fù)合粉體裝入石墨模具中，以100℃/min的升溫速率，在1200℃燒結(jié)溫度和50MPa的燒結(jié)壓力下進(jìn)行放電等離子燒結(jié)20min，自然冷卻從而制得多壁碳納米管/納米立方氮化硼復(fù)合材料，制得的復(fù)合材料標(biāo)記為4＃。本實(shí)施例還提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的應(yīng)用，它作為增強(qiáng)體與硬質(zhì)合金復(fù)合，應(yīng)用于制備超硬磨削工具。實(shí)施例5本實(shí)施例提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的制備方法，原料中所述納米碳材料為直徑10nm～20nm、長(zhǎng)度20微米～100微米的多壁碳納米管、所述超硬材料微粉為粒度30nm～50nm立方氮化硼納米粉體。該方法具體制備步驟與實(shí)施例4中的大致相同，不同之處在于：所述復(fù)合粉體的制備步驟中，控制所述多壁碳納米管的質(zhì)量為所述復(fù)合粉體質(zhì)量的5%，制得的復(fù)合材料標(biāo)記為5＃。本實(shí)施例還提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的應(yīng)用，它作為增強(qiáng)體與硬質(zhì)合金復(fù)合，應(yīng)用于制備超硬磨削工具。實(shí)施例6本實(shí)施例提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的制備方法，原料中所述納米碳材料為直徑50nm～60nm、長(zhǎng)度10微米～20微米的多壁碳納米管、所述超硬材料微粉為粒度30nm～50nm金剛石粉體。該方法具體制備步驟與實(shí)施例4中的大致相同，不同之處在于：所述復(fù)合粉體的制備步驟中，控制所述多壁碳納米管質(zhì)量為所述復(fù)合粉體質(zhì)量的5%，制得的復(fù)合材料標(biāo)記為6＃。本實(shí)施例還提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的應(yīng)用，它作為增強(qiáng)體與硬質(zhì)合金復(fù)合，應(yīng)用于制備超硬磨削工具。實(shí)施例7本實(shí)施例提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的制備方法，原料中所述納米碳材料為直徑50nm～60nm、長(zhǎng)度10微米～20微米的多壁碳納米管、所述超硬材料微粉為粒度30nm～50nm金剛石粉體。具體制備步驟與實(shí)施例4中的大致相同，不同之處在于：所述復(fù)合粉體的制備步驟中，控制所述多壁碳納米管質(zhì)量為所述復(fù)合粉體質(zhì)量的5%，制得的復(fù)合材料標(biāo)記為7＃。本實(shí)施例還提供一種納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的應(yīng)用，它作為增強(qiáng)體與工具鋼復(fù)合，應(yīng)用于制備超硬磨削工具。對(duì)照試驗(yàn)組1本對(duì)照試驗(yàn)組供一種石墨烯材料增強(qiáng)納米立方氮化硼復(fù)合材料的方法，原料中所述納米立方氮化硼的粒度為8nm～20nm，所述石墨烯具有1層～10層結(jié)構(gòu)且所述1層～10層結(jié)構(gòu)的所述石墨烯平均厚度為3.5nm。該方法具體制備步驟包括：復(fù)合粉體的制備：將石墨烯和含鈷的金屬粘結(jié)劑超聲分散在無水乙醇中進(jìn)行超聲處理0.5h，然后向其中加入粒度為8nm～20nm的所述納米立方氮化硼，并在機(jī)械攪拌條件下進(jìn)行超聲分散2h，從而制得石墨烯/納米立方氮化硼混合液，對(duì)所述混合液冷凍干燥24h處理得到混合干燥的復(fù)合粉體。其中，所述復(fù)合粉體中所述石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、所述含鈷的金屬粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。復(fù)合粉體的燒結(jié)：將上述混合均勻的所述復(fù)合粉體放置于葉臘石塊模具中，在模具外加裝上葉臘石環(huán)、導(dǎo)電鋼圈和觸媒片，在六面頂壓機(jī)中進(jìn)行超高壓高溫合成實(shí)驗(yàn)；燒結(jié)合成工藝參數(shù)為：燒結(jié)溫度1600℃、燒結(jié)壓力6GPa、保溫保壓時(shí)間為5min，制得的復(fù)合材料標(biāo)記為8＃。對(duì)照試驗(yàn)組2本對(duì)照試驗(yàn)組供一種多壁碳納米管材料增強(qiáng)納米金剛石復(fù)合材料的方法，其復(fù)合材料中，多壁碳納米管的直徑為50nm～60nm、長(zhǎng)度為10微米～20微米且在所述復(fù)合材料中，所述多壁碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％、含鈷的金屬粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％、余量為粒度20nm～30nm的金剛石粉。具體制備步驟與對(duì)照實(shí)驗(yàn)組1中的步驟相同，制得的復(fù)合材料標(biāo)記為9＃。維氏硬度、沖擊韌性測(cè)試分別測(cè)試實(shí)施例1～7、對(duì)照實(shí)驗(yàn)組1和對(duì)照實(shí)驗(yàn)組2制得復(fù)合材料的維氏硬度和沖擊韌性的沖擊功數(shù)值，測(cè)試結(jié)果如表1所示。表1實(shí)施例1～7及對(duì)照實(shí)驗(yàn)組1～2中復(fù)合材料的力學(xué)性能序號(hào)超硬材料納米碳材料及含量韌性（J）維氏硬度（Gpa）1＃8nm立方氮化硼5%石墨烯136.262.32＃20nm立方氮化硼10%石墨烯138.460.53＃60nm的金剛石5%石墨烯133.660.14＃20nm立方氮化硼1%多壁碳納米管120.458.75＃60nm立方氮化硼5%多壁碳納米管128.859.26＃20nm金剛石5%多壁碳納米管125.458.97＃60nm金剛石5%多壁碳納米管130.560.18＃8nm立方氮化硼5%石墨烯、20%金屬粘結(jié)劑110.134.69＃20nm金剛石5%多壁碳納米管、20%金屬粘結(jié)劑117.832.6由表1可以看出：本發(fā)明實(shí)施例1～7通過放電等離子體燒結(jié)制備的納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的韌性值和維氏硬度均高于常規(guī)方法制備的納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的數(shù)值；且還可以看出超硬材料微粉的粒度及納米碳材料的添加量會(huì)影響該復(fù)合材料的力學(xué)性能，即超硬材料微粉顆粒度越小、納米碳材料的含量越高，產(chǎn)品的維氏硬度和沖擊韌性越高。原因可能是因?yàn)槌膊牧衔⒎垲w粒度越小，顆粒的反應(yīng)表面積就越大，在放電等離子燒結(jié)過程中，就更容易產(chǎn)生誘發(fā)轉(zhuǎn)變和晶體外延生長(zhǎng)，從而燒結(jié)出來的復(fù)合材料更加致密，其抗沖擊能力和耐磨性也越好。同時(shí)，在放電等離子體燒結(jié)過程中，納米粉體獨(dú)特的表面效應(yīng)及良好的導(dǎo)電性，利于脈沖電流在納米粉體間的傳導(dǎo)，由脈沖電流通斷電產(chǎn)生的等離子體，通過粉體間隙的部分電流激活磨粒表面，擊穿孔隙內(nèi)殘留氣體局部放電，促進(jìn)磨料顆粒表面活化并相互反應(yīng)，經(jīng)過一定的保溫時(shí)間形成具有化學(xué)結(jié)合的燒結(jié)界面。同時(shí)，在燒結(jié)體中納米碳材料分布于聚晶材料間隙中，能夠在空間內(nèi)呈現(xiàn)立體網(wǎng)狀分布，使得裂紋在擴(kuò)展時(shí)發(fā)生擇向或偏轉(zhuǎn)，降低了裂紋擴(kuò)展能，從而提高了納米碳材料增強(qiáng)超硬材料基復(fù)合材料的韌性和力學(xué)強(qiáng)度。最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制；盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者對(duì)部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3