Способ получения поликристаллического алмазного материала Советский патент 1993 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к области получения алмазной керамики, которая может быть использована как сверхтвердый материал в машиностроении, обрабатывающей промышленности, а также в качестве конструкционного материала в электронике и приборостроении,

Целью изобретения является увеличение выхода материала и выхода годных по- ликристал-лов.

Поставленная цель достигается тем, что перед воздействием высокого давления и температуры в исходный алмазный порошок вводят в качестве органической добавки Антифрикционный полиэлектролит до полного смачивания в количестве 10-40 мае,%, тщательно перемешивают, подсуши- ваюУ для удаления избытка воды, протирают ч|ерез сито с размером ячейки 2мм, затем проводят прессование смеси при давлении 100-800 МПа с последующим отжигом прессовок при 250-500°С в течение 0,5-1 ч на воздухе при скорости нагрева 1-10°/мин и далее воздействуют на них высоким давлением и температурой в области стабильности алмаза.

Антифрикционный полиэлектролит образует на поверхности частиц алмаза электрически заряженный слой, который предотвращает непосредственный контакт между частицами благодаря электростатическому отталкиванию, и тем самым снижает внутреннее трение в порошках, что обеспечивает более плотную укладку частиц.

Использование полимерного электролита обеспечивает более высокую поверхностную плотность заряда на алмазных частицах по сравнению с мономерами, что повышает антифрикционные свойства добавки.

Введение полиэктролита в количестве менее 10 мас.% не обеспечивает полноту

XI

Ю

СО

VI о

смачивания всей поверхности частиц дисперсных алмазных порошков, что мешает достижению поставленной цели. Наличие добавки в количестве свыше 40 мае. % теряет смысл ввиду заполнения поверхности частиц монослоем полиэлектролита и прекращением дальнейшего его воздействия на прессуемость порошка. В результате предельно достигаемая плотность алмазных прессовок в используемом диапазоне низких (до 1 ГПа) давлений определяется свойствами конкретного порошка (дисперсностью, формой частиц и гранулометрическим составом)

Давление ниже 100 МПа недостаточно для эффективного уплотнения алмазного порошка. При давлении прессования выше 800 МПа возможен расслой прессовок, а также повышается вероятность заклинивания и износ пресса-Формы. Форма прессовок соответствует полезному объему камеры высокого давления.

Для удаления антифрикционного полиэлектролита после выполнения его функций проводят отжигалмазных прессовок на воз- духе. Чтобы предотвратить разрушение прессовок вследствие интенсивного газовыделения при разложении органической добавки, скорость нагрева не должна превышать 10°/мин, Нижний предел темпе- ратуры отжига (250°С) определяется температурой разложения добавки. Верхний (500°С) - возможностью начала графи- тизации и окисления алмаза. Время отжига 0,5-1 ч является достаточным для испаре- ния продуктов разложения добавки из прессовок диаметром до 10 мм.

Отожженные алмазные заготовки подвергают воздействию давления 6-8 ГПа при температуре 1200-2200°С в течение 5- 60с.

Критерием годности полученных кристаллов алмаза является отсутствие трещин, различимых на шлифе при увеличении 30х, а также коэффициент искажения фор-

МЫ Кф (dmax - dmin)/dmax 100%, ГД6 dmax И

dmin - соответственно максимальный и минимальный диаметр образца, поскольку все образцы представляют собой цилиндры, утонченные в центральном поперечном се- чении.

Пример1.В алмазный микропорошок марки АСМ 14/10 добавляют 20% об. 10% водного раствора полиакрилата триэтано- ламмония (ПАКТЭА), смесь тщательно пе- ремешивают до получения однородной суспейзии и подсушивают на воздухе при 100°С 5-10 мин для предотвращения вытекания смеси между стенок пресс-формы. Прессование полученной массы в стал ьной пресс-форме проводят при давлении 600 МПа. Цилиндрические прессовки диаметром 4,5 мм и высотой 4,5 мм помещают в алундовых лодочках в муфельную печь, нагревают на воздухе со скоростью 10°/мин до 400°С и выдерживают при ней 30 мин. Отожженные прессовки массой 0,17 г помещают в трубчатый графитовый нагреватель с внутренним диаметром 4,5 мм, наружным 7 мм и высотой 8,5 мм, закрывают с торцов графитовыми крышками толщиной 2 мм и затем помещают в контейнер из литографского камня типа тороид с диаметром лунки 15 мм. К собранной камере прилагают усилие до достижения давления 8 ГПа, пропусканием электрического тока нагревают со скоростью 100°/с, по достижении температуры 1800°С проводят изотермическую выдержку в течение 20 с, охлаждение со скоростью 100-200°/с и снятие давления, Полученный образец поликристаллического алмаза имеет максимальный диаметр на торцах -4,1 мм, а центре - 3,9 мм, высоту- 4,0 мм, плотность 3,4 /см3, коэффициент искажения формы -4,8%. Максимальная радиальная усадка в результате воздействия высоких Р и Т состабила 13%, выход годных поликристаллов-95%. Выход материала за спекание составил 0,17 г.

П р и м е р 2. Берут в качестве исходного порошка - детонационный алмаз марки ДАЛАН ДАГ к 25 (25-100), состоящий из частиц пластинчатой формы 5-1 мкм и дисперсной составляющей 500-50 нм, с удельной поверхностью 23,4 м /г, .плотностью 3,4 г/см3 и насыпной плотностью около 1 г/см3. Количество добавки составило 30 мас.%. Далее как в примере 1, спекание при высоком давлении при Т - 1600°С в течение 60 с. Выход материала по сравнению с прототипом выше в 1,5 раза (0,142 г по сравнению с 0,123 г), выход годных поликристаллов 95%.

Пример 3. В качестве исходного порошка брали ультрадисперсный алмаз (УДА) со средним размером частиц 5 нм, удельной поверхностью 300 м /г, плотностью 3,15 г/см3. Давление прессования - 800 МПа, температура отжига прессовок 300°С. Далее как в примере 2. Выход материала увеличивается в 1,7 раза, выход годных поликристаллов 65%.

П р и м е р 4. Прессовки из алмазного порошка АСМ 14/10, полученные, как в примере 1, нагревают на воздухе со скоростью 1°/мин до 250°С и выдерживают при ней 30 мин. Далее все как в примере 1. Усредненные по 10 опытам результаты не отличаются от примера 1.

П р и м е р 5. Прессовки из порошка АСМ 14/10, полученные, как в примере 1, нагревают на воздухе со скоростью 10°/мин до 500°С и выдерживают 30 мин. Далее все как в примере 1. Выход за спекание составил в среднем 1,165 г, выход годных поликристаллов - 90%, что несколько хуже, чем в примерах 1 и 4.

Примерб. Прессовки из детонационного алмаза марки Далан, полученные, как в примере 2, нагревают на воздухе со скоростью 10°/мин до 350°С и выдерживают 1 ч Далее все как в примере2. Полученные результаты в среднем также соответствуют примеру 2.

Дополнительные примеры приведены в таблице.

П эедлагаёмый способ получения поли- кристэллического алмазного материала по- звол$ет увеличить выход материала в 1,3-1,7 раза при одновременном увеличении в;ыхода годных поликристаллов и наи0

5

0

более эффективен для компактирования высокодисперсных алмазных порошков, получаемых динамическими методами. Формула изобретения Способ получения поликрйсталлическо- го алмазного материала, включающий введение в алмазный порошок органических добавок с последующим воздействием высокого давления и температуры в области стабильности алмаза, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода материала и выхода годных поликристаллов, в качестве органической добавки используют полиэлектролит 10%-водного раствора по- лиакрилата триэтаноламмония в количестве 10-40% от массы алмазного порошка, затем смесь перемешивают до получения однородной массы и проводят предварительное прессование при давлениях 100-800 МПа с последующим нагревом со скоростью 1-10° в 1 мин и отжигом при 250-500°С в течение 0,5-1 ч.)

Использование: как сверхтвердый материал в машиностроении, обрабатывающей промышленности, а также в качестве конструктивного материала в электронике и приборостроении. Сущность способа заключается в том, что перед воздействием высокого давления и температуры в исходный алмазный порошок вводят в качестве органической добавки антифрикционный полиэлектролит до полного смачивания в количестве 10-40 мас.%, тщательно перемешивают, подсушивают для удаления избытка воды, протирают через сито с размером ячейки 2 мм, затем проводят прессование смеси при давлении 100-800 МПа с последующим отжигом прессовок при 250- 500°С в течение 0,5-1 ч на воздухе при скорости нагрева от 1 до 10°/мин и далее воздействуют на них высоким давлением и температурой в области стабильности алмаза. 1 табл.;