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人造金刚石聚晶的聚结机理浅析

关键词 金刚石聚晶 , 机理|2022-11-23 10:08:51|技术信息|来源 中国超硬材料网
摘要 人造金刚石聚晶是一种把金刚石与结合剂在高温、超高压下烧结而成的金刚石聚合物,它具有极高的耐热性和很高的热稳定性。广泛应用于制造石油,地质钻头,钻石加工和机械加工工具等。人造金刚石聚...

       人造金刚石聚晶是一种把金刚石与结合剂在高温、超高压下烧结而成的金刚石聚合物,它具有极高的耐热性和很高的热稳定性。广泛应用于制造石油,地质钻头,钻石加工和机械加工工具等。

       人造金刚石聚晶也是一种复合材料,是把金刚石与结合剂这两种材料通过表面接触相互结合而成的,那么金刚石和结合剂是按照什么原理才能很好的粘结在一起,并且发挥它最大的物化性能呢?这是一个具有重要实际意义的研究论题。

      一、表面原子分布对应相互成键学说

       王光祖教授在《超硬材料》中讲到,可以从表面结构和表面接触时,双方原子间相互作用的规律来研究粘合问题。比如,A与B两种材料相互接触能粘合在一起的条件是,A 面上的原子与B面上的原子相互作用成键,A与B两面间的粘合就是A面上大量a原子与B面上大量b原子之间相互作用成键的集体表现。要使它们粘合得好,在一般情况下,就要求两面接触很好,两面的结构有一定对应关系,使两面上的原子对得准,相互作用成键能力要强,这就是粘合的一般原理,也是表面原子分布对应相互成键学说。

这个原理包含两部分内容: 

       1、结构对应原理即双方表面上原子分布有一定对应关系;

       2、成键原理即双方表面上的原子要能相互联结成键。

       必须同时符合这两条原理,才能粘合,缺一不可。两面接触时,不一定要求所有面上的原子都对准,只要有相当多的原子对得准,且相互作用成键能力强就行了。若双方面上的所有原子都能对得准,且成键能力又强,则当然更好。
       二、人造金刚石聚晶的聚结机理

       下面是通过添加某种粘结剂,应用上述的粘合原理来说明粘结剂在超高压高温下是如何能使许多小颗粒金刚石聚结而成PCD的。

       1、 添加粘结剂为Co或Ni时:聚晶金刚石一般是在6.5GPa和1600℃左右的高温高压下烧结的。

       Co是面心立方结构,密排面(111)面上的原子间距为0.250nm; 

       金刚石密排面上的原子间距为0.251nm。

       两者很接近,因此,两者有很好的结构对应关系,在高压高温下熔化后,Co的流动性很好,并渗透到各金刚石晶粒之间,使金刚石的密排面(111)面相互挤压接触,接触面上对准的Co原子与C原子可以相互成键,产生粘附作用。
       添加剂粘结剂为Ni时,同样适用于上述原理。2、添加粘结剂为Si时:

       Si的密排面(111)上的原子间距为0.381nm;

       金刚石密排面(111)上的原子间距为0.251nm; 

       2×0.381nm≈3×0.251nm;

       两者虽有一定的差距,但两者接触的密排面仍有一定的对应关系;根据周期性对准规则,部分Si原子呈周期性地与C原子对准,另外的Si 原子则与相邻两个C原子联线的中央对准。

微信截图_20221123100721.png

       金刚石表面上的碳原子还有一个多余的价电子,而Si面上的Si原子也有一个多余的价电子,在超高压高温下,Si溶化后渗透到金刚石晶粒之间,使其密排面(111)面与金刚石的密排面(111)面相互挤压接触,两接触面上对准的Si原子与C原子,可以相互联结成Si- C共价键,而产生粘结作用。此外,与相邻两个C原子联线中央对准的Si原子则可以从侧面与两个C原子联系形成桥式三中心(Si…C)π键,也可以产生粘结作用,接触面上的Si原子都可以分别以共价键或桥式三中心π键的方式与金刚石表面上的c原子相联结而产生强有力的粘结作用。

微信截图_20221123100736.png

       三、添加剂的选择原则

       根据上述的粘合原理和金刚石的聚结机理,可得出添加剂的选择原则:

       1、结构对应原则

       添加剂密排晶面上的原子排列与金刚石(111)面上的原子排列要有一定的对应关系,且原子间距要等于或接近于金刚(111)面上C原子间距0.251nm。这就是说,要求添加剂原子与C原子对准或呈周期性地对准。

       2、定向成键原则

       添加剂密排面上的原子与金刚石表面上对应的C原子要能相互联结成键,成键能力强的,粘结效果就好。当然,添加剂的选择原则还涉及其他, 此处暂不过多介绍。

参考文献:王光祖《超硬材料》

 

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